FIBRE DE VERRE

UN POINT SUR LE RENFORCEMENT DES NOUVEAUX MATERIAUX

Brevetée par la société américaine Owens Illinois^[1] au cours des années 1930, la fibre de verre constitue une avancée technologique récente de l’industrie verrière. Historiquement, elle a néanmoins précédé les développements du flottage du verre plat sur bain d’étain (1952) et de la fibre optique, suite à la mise au point du laser (années 1960). Aussi mince qu'un cheveu, aussi résistante que l'acier, elle trouve des applications dans deux domaines distincts, l'isolation^[2] et le renforcement^[3]. Ces deux produits verriers se distinguent par les techniques de fabrication mises en œuvre et par les types de produits fabriqués.Techniques mises en œuvre pour leur fabrication. Production de fibres discontinues par centrifugation dans le cas de la laine de verre et étirage d'un fil continu, pour la fibre de renforcement.Types de produits fabriqués. Produits finaux pour l'isolation et produits intermédiaires à destination des différents filières des "nouveaux matériaux" pour la fibre de renforcement. Cette dernière est utilisée essentiellement pour le renforcement des polymères pour la fabrication de matériaux composites^[4] qui viennent en substitution de l'acier, du bois, du carton. Elle contribue également à renforcer les bétons.

L’objet de cette note est d’établir un bref tour d'horizon des enjeux technico-économiques de la seule filière des fibres de renforcement. Des éléments concernant la fibre pour isolation seront également fournis dans la mesure où les données statistiques concernant les deux filières doivent d'autant plus être mises en parallèle qu'elles concernent souvent les mêmes acteurs.

Performance et innovation

Les fibres de verre de renforcement sont destinées majoritairement aux acteurs de la filière des composites, qu'ils soient mouleurs ou transformateurs (compounders). Elles sont parmi les fibres les plus utilisées dans les nouveaux matériaux, devant les fibres de carbone, les aramides (kevlar), voire les polyesters, les fibres métalliques ou les fibres céramiques….

Les fibres de verre sont mises en œuvre sous de multiples formes liées à la fois au type de polymère, aux applications et aux procédés mis en œuvre par les plasturgistes :

•  fils, simples ou co-mêlés verres/thermoplastiques ; continus ou coupés ;

   voiles non tissés (mats), pour renforcer les chapes bitumineuses, le linoléum ;

   tissus, pour pièces d'avions et pâles d'hélicoptères, toiles à peindre, moustiquaires ;

•  grilles, pour le renfort de panneaux isolants, de plâtres ou le ciment, grilles d'armature pour le bitume des chaussées.

Fig. 1 : Marché mondial de la fibre de verre de renforcement, par finalités. (Source : St Gobain-Vetrotex)

L'utilisation croissante    de ces nouveaux matériaux (Fig.1) trouve son origine dans les gains de poids qu'ils confèrent tout en améliorant les performances fonctionnelles ou de sécurité, pour une compétitivité prix d'autant plus favorable qu'ils peuvent faire l'objet de fabrication en grandes séries. A titre de comparaison, ils permettent un allègement des structures de près de 30 % par rapport à l'acier. Parmi les propriétés apportées en plus de la résistance à la traction, citons l'inertie chimique, la stabilité dimensionnelle, la résistance aux chocs, les propriétés isolantes, etc... . Récemment, le secteur de l'équipement industriel a fait l’objet d’une forte demande en raison des investissements réalisés pour la génération d’énergie renouvelable^[5], à l’exemple des pâles d’éoliennes qui sont faites de composites verre-résine. Suivant les applications et les produits, le taux pondéral de renfort verre peut varier entre 15 et 75 %. Les secteurs dans lesquels les matériaux renforcés verre-résine trouvent des applications sont très étendus, ce sont, par ordre d'utilisation décroissante :

•  le bâtiment et les infrastructures, cf éviers, toiles à peindre, éclairage, ponts ;

   le transport, cf carrosserie, pare-chocs, tableaux de bord ;

   l'électricité, cf armoires de distribution, chemins de câbles et l'électronique, circuits imprimés ;

   la plaisance et le loisir, cf bateaux, piscines ;

   l'équipement industriel, cf tuyaux, réservoirs, pâles d'éoliennes ;

•  les biens de consommations, cf capotage d'appareils électroménagers, stylos, etc...

Comme le montre la figure 1, les trois premiers secteurs cumulent près de 70 % des ventes.

Un marché en croissance mais cyclique malgré sa diversité

Sur un marché verrier mondial estimé à 100 Mt et dominé par le verre plat et le verre creux qui, cumulés, représentent près de 80 Mt, la fibre de verre, avec moins de 6 % des tonnages (5,8 Mt), fait figure de marché de niche. Sur ce total, l’activité renforcement^[6] ne dépasse pas 2,6 Mt avec une valeur voisine de 6 Md€, le reste étant représenté par la fibre destinée à l'isolation. La demande pour les fibres de verre est portée par la croissance du secteur des composites dans le sillage du marché des polymères. Ce dernier est attendu en croissance entre 4 et 10 % annuellement jusqu’en 2010, suivant les produits, à l’image de la décennie passée. De son côté, celui des composites devrait progresser entre 5 et 6 % par an, avec des évolutions contrastées suivant les zones géographiques : 5 % en Europe, 8 % en Asie, 12 % en Amérique du Sud et seulement 4 % en Amérique du Nord. Ces contrastes reflètent à la fois le dynamisme spécifique de ces zones et celui des secteurs d'applications qui les tirent : en Amérique du Nord, ce sont la construction et le transport, en Asie l'électronique. Le marché reste cependant dominé à l'heure actuelle par l'Amérique du Nord qui, suivant les estimations, représente entre 41 et 46 % des tonnages vendus mondialement (Fig.2).

D’une manière générale, ces nouveaux matériaux bénéficient de toutes les mesures à caractère environnemental prises dans le domaine de l’énergie : augmentation de la part des énergies renouvelables, réduction des gaz à effets de serre et donc allègement des véhicules.Ces nouveaux développements pourraient contribuer à réduire la cyclicité du secteur déjà affecté par la récession de 1990-1993 et plus récemment par l’éclatement de la bulle technologique en 2001-2003. Ces passages à vide ne remettent cependant pas en cause la confiance sur le long terme des acteurs de l’industrie, comme le montrent les derniers investissements annoncés qui concernent de nouvelles unités, voire des augmentations de capacités, toujours couplées avec des améliorations de productivité.A L’Ardoise, en France, Owens Corning Fiberglas Corp (OCF), après avoir renouvelé un de ses fours, prévoit en 2004 un investissement de 11 M€ pour le remplacement de son second four. La production de fibres de renforcement devrait passer de 50 000 tonnes actuellement à 70 000 t en 2006 et 100 000 t quand la deuxième ligne de production sera renouvelée. Cette montée en puissance devrait se faire à effectif constant (271 personnes)^[7] .

De leur côté, St Gobain-Vetrotex et OCF annoncent la mise en place au Mexique d'une joint venture à parité, pour le développement d'une usine de fibre de renforcement qui devrait être opérationnelle fin 2004. Le montant de l'investissement et la capacité n'ont pas été précisés.

Un petit nombre d’acteurs spécialisés ou diversifiés

Six acteurs occidentaux représentent 75 % du marché mondial de la fibre de verre, renforcement et isolation confondues. Parmi eux, deux sociétés sont surtout présentes dans le domaine de la fibre destinée à l'isolation pour le marché final du bâtiment et de la construction : l'allemand Knauf et le suisse Alcopor. Des quatre autres, Owens Corning, anciennement Owens Illinois et héritier historique de la technologie, est une société dédiée à la fibre de verre (isolation et renforcement) et à d'autres domaines du marché de la construction, au même titre que Johns Manville, tandis que St Gobain et l'américain PPG sont des groupes diversifiés.Le groupe français St Gobain est présent à travers ses branches isolations regroupées dans St Gobain-Isover (fibre de verre pour isolation et laine de roche) et sa branche renforcement qui est organisée en deux divisions : St Gobain-Vetrotex pour l'activité filature et St Gobain-Technical Fabrics pour les activités de transformation. La branche renforcement représentait en 2002 1,4 Md€ de chiffre d'affaires, soit 4,5 % du chiffre d'affaires du groupe. Avec une production de fil de verre de 590 000 t/an, St Gobain dispose d'une part d'environ 20 % du marché mondial avec des positions dominantes en Europe et Amérique du Sud. Owens Corning avait, en 1999, un chiffre d'affaires pour son activité composite (qui inclut la fibre de renforcement) de 937 Md$ pour un chiffre d'affaires total de 5,048 Md$ réalisé majoritairement dans le bâtiment (fibre d'isolation, fibrociment, shingle etc…)

Le groupe américain PPG, dont les principales branches sont les pigments, la chimie de spécialité et le verre (verre plat et fibres de verre), a eu, en 2002, un chiffre d'affaires de 8,067 Md$ dont 2,071 Md$ pour l'activité verre (verre plat et fibres de verre indifférenciés).

Matières premières et procédé de fabrication

Si le verre utilisé en standard pour la fabrication des fibres de verre de renforcement est un verre borosilicaté dit type E^[8] , d'autres compositions verrières ont été élaborées pour répondre à des exigences spécifiques (Tabl.1) : le verre C est résistant à la corrosion, le verre A/R est destiné à être incorporé aux bétons spéciaux alcali-résistants.

Tabl. 1 : Composition des principaux verres utilisés dans les fibres de renforcement.

Le bore est utilisé pour améliorer la fluidité du mélange et abaisser la température de fusion. En améliorant la viscosité, il améliore le filage. Les matières premières représentent moins de 20 % de coûts standards dont la moitié représenté par la colemanite^[9]  (porteuse de bore). Il y a traditionnellement opposition entre ressources de proximité : silice sous forme de farine (< 40 µm, 99 % SiO₂, 0,1 % Fe₂O₃), dolomie, calcaire (100 µm-1mm), aux coûts unitaires peu élevés et ressources lointaines : sulfate de sodium (0-1 %), kaolin pour l’alumine et borates (colemanite). Pour limiter les dépenses d’énergie dans le four, le taux d’humidité des matières premières introduites doit respecter des normes précises (< 1 % pour les kaolin ; 3,5 % pour le calcaire).

Le procédé de fabrication comprend cinq étapes principales (Fig.3). Fusion du mélange à des températures variant de 1400° C à 1600° C, dans un four verrier (furnace) alimenté en continu par les matières premières sous forme de poudre. Après soutirage, le verre est filé par étirement au travers de filières (bushings) en platine-rhodié (Ø ~10 µm pour chaque orifice). Un fil est constitué de plusieurs centaines de filaments. Pour faciliter l’intégration dans les composites, les fils sont enrobés d’un additif (binder) à la sortie du filage ; suivant les applications, il peut s’agir de silane, d’acétate de polyvinyle, de résine de polyester etc…, c’est l’ensimage. Suivant les finalités les fils seront bobinés ou coupés puis passés dans un four de séchage (oven drying) à des températures variant entre 600 et 700 °C.

Des défis environnementaux : enjeux techniques et financiers

Comme toute l'industrie verrière, les fabricants de fibre de renforcement sont confrontés aux défis constitués par la consommation d'énergie et les émissions de CO₂ . Dans ce domaine, la mise en place au niveau européen des permis d'émission dans le cadre du protocole de Kyoto va se traduire, en France, par le plan "climat" qui fixera des objectifs de réduction. Sa promulgation est attendue pour le printemps 2004. Pour ce qui est du recyclage, la transposition des directives européennes concernant les VHU (véhicules hors d'usage) et les DEEE (déchets d'équipements électriques et électroniques) impose d'ambitieux objectifs qui affectent toutes les filières de matériaux composites et, en amont les fabricants de produits intermédiaires. Pour le transport, à partir du 1er janvier 2006, au moins 85 % du poids moyen d'un véhicule devrait être récupéré et 80 % du poids moyen devra être réutilisé ou recyclé. A partir de 2015, ces taux seront respectivement de 95 et 85 %. Si cette réglementation s'applique d'abord aux produits finaux en fin de vie, la prise en compte de ces impératifs doit être intégrée aux premiers stades du procédé industriel en faisant évoluer techniques et matières premières. Du fait de leur caractère polyphasé, le recyclage des matériaux composites constitue un défi technologique et financier majeur qui va susciter la mise en place de filières spécifiques.

D'ores et déjà, les industriels réincorporent des déchets de fibre non ensimées dans le circuit interne, tandis que les fibres ensimées font l'objet d'un recyclage spécifique externe au même titre que les composites. La plupart des industriels ont, d'ailleurs, créé des sociétés dédiées à la valorisation de leurs déchets ainsi que ceux de leurs clients. C'est le cas de St Gobain avec sa filiale italienne St Gobain-Revetex dont l'objectif est de recycler 90 % des déchets internes.

Compétitivité et concurrence mondiale

Confrontés à une course à la compétitivité en contexte de baisse de prix, impulsée par les pays émergeants, mais aussi par la récente situation de surcapacité liée à l'éclatement de la bulle technologique, les professionnels portent leurs efforts dans les domaines suivants :

•  Réduction du coût matière première : Owens Corning a breveté un verre sans bore qui présente des propriétés mécaniques améliorées (résistance à la traction) mais qui pose des problèmes d'élaboration. Il s'agit d'une évolution technologique importante qui est en voie d'adoption par tous les producteurs, d'autant plus qu'elle présente aussi l'avantage de limiter les effluents gazeux en bore fluor et arsenic provenant, essentiellement, de la colemanite.

   Amélioration et automatisation des process pour réduire la part de la main d'œuvre, problématique à laquelle sont confrontés tous les acteurs présents dans les pays à fort coût de main d'oeuvre.

   Limitation des coûts énergétiques, notamment en améliorant le rendement des fours;

   "Mutualisation" des coûts pour les nouveaux investissements avec la création de joint venture qui permettent également de limiter les risques de surcapacité en cas de retournement de cycle.

   Multiplication des investissements dans les pays émergeants, aussi bien pour le potentiel des marchés régionaux que pour les coûts de main d'œuvre : les annonces devraient ainsi se multiplier pour les investissements en Europe de l'Est^[10] et dans le sud-est asiatique, dont la Chine.

•  Spécialisation des sites pour bénéficier d'économies d'échelle, alors que, traditionnellement, les implantations industrielles sont conditionnées par la proximité des marchés et accessoirement par la disponibilité des matières premières à faible coût unitaire. A l'Ardoise, Owens Corning exporte sa production à 85 % à destination de l'UE mais aussi du Japon, voire des Etats-Unis.

La Chine, un marché et des risques

Alors que le marché de l'électronique est en plein retournement, en particulier dans le sud-est asiatique et que l'industrie automobile explose, la Chine suscite toutes les interrogations. Si elle constitue un marché à investir, y a-t-il risque de bulle des investissements ou de voir l'émergence de concurrents ?

Dans le domaine de la fibre de verre, la Chine affiche des objectifs d'augmentation de capacités de production de plus de 50 % sur 10 ans avec des tonnages de 500 000 tonnes (RFG et IFG) à l'horizon 2010. Les producteurs occidentaux de la filière sont déjà présents industriellement sur place, à l'image de PPG et de St Gobain-Vetrotex qui dispose de deux sites opérationnels à Pékin et Hangzhou (Shangaï)

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