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Hong Kong | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
15 octobre 2015

Article publié le 30/09/2015

Le verre a été découvert il y 4000 ans [1], ce matériau a particulièrement évolué ces 10 dernières années du fait de l’essor qu’a connu son utilisation, notamment dans les grandes villes qui se sont couvertes de tours de verre magistrales.

Il est évident que ce matériau de surface apporte aux usagers un confort lumineux qui ne peut être apporté par des parois extérieures en béton ou en métal… Plusieurs études ont montré que la santé, le confort et la productivité des occupants sont améliorées de façon proportionnelle à leur accès à la lumière naturelle [2].

Tout comme la plupart des mégalopoles, le territoire de Hong Kong est apprécié pour ses grattes ciel dans lesquels se reflète le Delta de la rivière des perles, pourtant en contemplant ces tours de verres, combien se questionnent sur les moyens mis en oeuvres pour leur nettoyage…

En effet, afin que les parois vitrées puissent laisser efficacement pénétrer la lumière du jour, il est indispensable de les nettoyer régulièrement, surtout dans une ville comme Hong Kong, soumise à une intense saison des pluies et une pollution atmosphérique importante. Des vitres sales assombrissent les pièces et poussent à solliciter davantage l’éclairage artificiel, ce qui n’est ni économique, ni agréable pour les occupants.

Partout dans le monde, la corvée de nettoyage des vitres s’avère fastidieuse et coûteuse. Cela est exacerbé à Hong Kong, par un accès rendu difficile par la hauteur et la forme des bâtiments ; la plupart des bâtiments dépassant les 25 étages. Une fois de plus, les nouvelles technologies ont permis de résoudre ce problème par la création de vitrages autonettoyants.

Le concept du vitrage autonettoyant

Le verre autonettoyant est un verre « float » ordinaire - le procédé « float » désigne le procédé moderne de fabrication du verre plat, mis en place en 1959, c’est le verre le plus utilisé pour le vitrage - sur lequel est déposée, lors de sa fabrication, une couche photocatalytique spéciale à base de dioxyde de titane (TiO2) sur sa face extérieure [3].

Sans altérer le degré de transparence, la fonction autonettoyante de ce type de verrs repose sur la conjugaison de deux propriétés de la couche microscopique de TiO2 déposées sur du verre : la photocatalyse et la super-hydrophilie. Ce nouveau type de verre permet une réduction des coûts de nettoyage, mais aussi des impacts environnementaux car il nécessite une utilisation moindre de produits détergents pour son nettoyage [4].

Les deux principes :

  • La photocatalyse. Les matières organiques qui se déposent sur la vitre sont décomposées par la lumière du soleil. La photocatalyse repose sur le principe d’activation d’un semi-conducteur à l’aide de l’énergie apportée par la lumière. Ce procédé permet de minéraliser totalement de nombreux composés organiques en phase liquide ou gazeuse. Pour le verre, la notion de photocatalyse est associée au TiO2 sous sa forme cristallographique anatase. Le TiO2 est un semi-conducteur apte à la photocatalyse aussi, sous l’effet d’un rayonnement ultra-violet, les électrons acquièrent une énergie suffisante pour traverser les bande interdite et à activer des réactions radicalaires provoquant l’oxydation des produits organiques [5].
  • L’hydrophylie. Le verre autonettoyant est hydrophile. Cela a pour effet que l’eau qui entre en contact avec lui ne forme pas de goutte, comme sur du verre classique, mais forme un film. Par conséquent, la pluie le lave au lieu de laisser des traces, les particules minérales et organiques sont emportées avec l’eau vers le bas, comme tout corps soumis à la gravité.

Ainsi, sur la vitre salie, les corps organiques sont décomposés sous l’effet de la lumière solaire et l’eau de pluie rince la vitre, la laissant nette.

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Les inconvénients

La photocatalyse fonctionne grâce a la lumière du jour, et donc uniquement sur des vitres exposées à la lumière. Il serait possible d’améliorer les propriétés photocatalytiques et hydrophiles, notamment grâce à l’ajout de catalyseurs, qui pourraient permettre de déplacer ou d’agrandir le spectre d’absorption de la couche autonettoyante pour une utilisation optimale.

Le verre autonettoyant évite surtout les saletés organiques, mais n’empêche pas le dépôt de particules minérales (uniquement les poussières statiques). Des dépôts minéraux peuvent donc recouvrir progressivement le revêtement et risquent de le rendre moins performant.

Par ailleurs, ce système requiert une pluviométrie suffisante pour enlever les résidus de la photocatalyse.

La fabrication de ces verres autonettoyants implique généralement l’utilisation de techniques de déposition chimique en phase vapeur ou par pulvérisation. Ces procédés avancés à couches minces requièrent un vide poussé et de très hautes chaleurs (Chemical Vapour Deposition (CVD)) rendant ainsi les coûts de production et les dépenses énergétiques très élevés [6].

En moyenne, au mètre carré ce type de verre coûte entre 8,80 € et 17,7 € contre 0,9 € pour du vitrage classique [7]. De plus le titane a une efficacité limité dans le temps. En moyenne, les propriétés autonettoyante de ces verres sont limitées à 5 ans [8].

Une nouvelle génération de verre autonettoyant développée à Hong Kong

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Une équipe de recherche dirigée par le professeur Yang Hong-Xing et le docteur Lu Lin de l’université Polytechnique de Hong Kong a récemment développé une nouvelle technologie de verre autonettoyant, appelé « Self-cleaning nano-coating ».

Cette méthode novatrice recourt à un nouveau type de nano-revêtement (résine), qui s’applique sur le verre, le rendant autonettoyant pour de faibles coûts.

Le principe :

Cette résine est produite à base de nano-particules semi-conductrices à forte dispersion interne, de taille inférieure à 5 nm afin de pouvoir négliger le principe Diffusion de Rayleigh à 98 % [9] et qui laisse ainsi au matériau toute sa transparence (lorsque les particules qui composent un matériau sont de tailles inférieures à celle de la longueur d’onde, le matériau laisse passer la lumière). De plus, la résine est plus respectueuse de l’environnement que la version classique de verres autonettoyants, car elle est fabriquée à base d’eau et ne contient que d’infimes quantité de composés organiques volatils (COV < 3g/L) [7] et aucun métal lourd.

Pour obtenir un verre autonettoyant, il suffit de sérigraphier la résine sur le verre à température ambiante et à pression atmosphérique, à l’aide d’un appareil similaire à une imprimante, et donc moins onéreux qu’une chambre de réaction CVD. Le verre peut-être également sérigraphié avant la trempe (refroidissement rapide du verre lors de sa fabrication). Une fois trempé, le revêtement sérigraphié forme une couche robuste et durable qui résiste aux rayures.

Dans les deux cas (sérigraphie avant ou après la trempe), le verre sérigraphié a les mêmes performances autonettoyantes, que le verre autonettoyant classique. Ses propriétés autonettoyantes sont actives pendant au moins 20 ans [9] contre 5 ans [8] pour les verres autonettoyant à base de titane et sa résistance au toucher, à la pression, au choc et à l’usure n’est pas affectée (Dureté = 8H) [10].

De plus, le revêtement peut supporter une température plus élevée que le verre autonettoyant classique.

Le coût d’application de cette nouvelle technique est bien moins élevé que la méthode classique ne portant qu’à 1,8 € le prix du mètre carré de verre autonettoyant [7].

Applications :

En plus des applications directes pour les fenêtres en verre, les murs-rideaux, les pare-brises et les rétroviseurs, le revêtement peut également être appliqué sur les cellules photo-voltaïques (selon la technologie et la longueur des ondes absorbées ainsi que celles-ci diffèrent du spectre de la résine ). De plus, la technique peut être élargie aux surfaces en acier inoxydable pour les rendre également auto-nettoyantes [11].

Conclusion :

Ce procédé semble donc avoir un avenir prometteur.
Notons tout de même, qu’à Hong Kong, les principaux vecteurs responsables de la dégradation des vitrages ne peuvent être solutionnés par ce procédé.
En effet, à Hong Kong ce qui provoque principalement la corrosion et la coloration et décoloration des vitres ce sont : la pollution de l’air, les pluies acides, l’action de la météo (flux solaires, vent, …), et enfin l’effet électro-chimique de métaux présents sur les toitures et façades et qui s’écoulent le long des parois vitrées.[12]

Sources :

[1]http://www.hkisc.org/proceedings/2006421/11_SLChan%20facade2006b.pdf

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[2]http://www.bse.polyu.edu.hk/researchCentre/Fire_Engineering/summary_of_output/journal/IJEPBFC/V8/EPBFCv8n2p54.pdf
[3]http://www.batirenover.com/articles/le-vitrage-autonettoyant-les-avantages-et-inconvenients_3328.htm
[4]https://fr.wikipedia.org/wiki/Verre_autonettoyant
[5]https://fr.wikipedia.org/wiki/Photocatalyse
[6]https://hongkong.consulfrance.org/Bulletin-de-Veille-Scientifique-et-Universitaire-2015-No22-9062
[7]http://www.polyu.edu.hk/ife/corp/en/publications/tech_front.php?tfid=9764
[8]http://effet-lotus-maurice.e-monsite.com/pages/1-auto-nettoyage.html
[9]http://www.polyu.edu.hk/cpa/excel/en/201507/research/r1/index.html
[10]http://phys.org/news/2015-08-highly-dispersed-screen-printable-nanocomposite-self-cleaning.html
[11]http://www.ae-innovation.org/CMS/uploadfile/2014/0429/High%20Dispersed%20Screen-Printable%20Nanocomposite%20Paste%20for%20Self-Cleaning%20Glass.pdf
[12]http://www6.cityu.edu.hk/construction_archive/major_reference_pdf.aspx?id=134

Rédacteur :

Julie METTA, Chargée de mission scientifique - Hong Kong

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