Matières premières utilisées dans la fabrication des panneaux sandwichs
Un panneau sandwich typique a une structure à trois couches. Les surfaces rigides, dont le module d’élasticité est relativement élevé, sont maintenues à distance par un noyau léger, dont la rigidité en flexion est suffisante pour résister à la plupart des contraintes de cisaillement. Le noyau agit également comme une couche d’isolation thermique très efficace.
La croissance de l’utilisation des panneaux composites est principalement due à la nécessité pour l’industrie du bâtiment de disposer d’un panneau léger qui présente également des valeurs d’isolation thermique élevées et qui est en même temps facile à installer.
La première exigence a été satisfaite grâce au développement technique des mousses rigides de polyuréthane (PUR) et de polyisocyanurate (PIR), qui sont capables d’offrir des propriétés d’isolation thermique élevées, en particulier par rapport aux matériaux couramment utilisés dans la construction. La deuxième caractéristique, la simplicité de l’assemblage sur la structure porteuse, s’est avérée être l’un des principaux facteurs de la popularité de ce produit, car les temps de construction ont été considérablement réduits par rapport aux méthodes traditionnelles, ce qui a permis d’économiser sur les coûts de main-d’œuvre. Au cours des 5 à 10 dernières années, la gamme de produits s’est élargie avec le développement de panneaux sandwichs en laine de roche. Développés et testés à l’origine pour être utilisés dans des applications ignifuges, ces panneaux sont aujourd’hui plus couramment utilisés pour répondre aux exigences en matière d’isolation et d’absorption acoustiques. En résumé, grâce à un grand nombre de caractéristiques favorables, les panneaux sandwichs sont un élément essentiel des applications de construction de l’avenir.
Surfaces métalliques
Des feuilles relativement fines et très résistantes sont généralement utilisées pour les surfaces métalliques extérieures. Ils doivent répondre aux exigences suivantes :
- Exigences de production pour le profilage et le cintrage
- Exigences fonctionnelles en matière de résistance au vent
- Imperméabilité à l’eau et à la vapeur
- Caractéristiques de résistance structurelle et capacité à supporter des charges locales
- Bonne résistance à la corrosion et au feu.
Toutes ces exigences n’ont pas la même importance dans chaque application, mais il est clair qu’elles sont économiquement satisfaites par la tôle, en particulier l’acier et l’aluminium.
Les métaux utilisés sont donc les suivants :
- acier galvanisé, peint ou nu
- aluminium, peint ou nu
- acier inoxydable
- cuivre.
Les tôles sont livrées par le fournisseur sous forme de rouleaux (Fig. 2.1 et 2.2), et peuvent être facilement intégrées dans un processus de production continu, et peuvent être facilement façonnées pour le profilage.
Acier galvanisé
Les panneaux sandwich avec des surfaces en aluminium sont parfois utilisés dans des applications où il existe des exigences particulières en matière de résistance à la corrosion ou d’hygiène, par exemple dans la production ou le stockage de denrées alimentaires. L’aluminium utilisé est un alliage d’aluminium codé 3003 – 3103. L’épaisseur normalement utilisée varie entre 0,7÷1,2 mm. Une épaisseur de 0,7 mm est souvent considérée comme la valeur minimale pour éviter les dommages locaux liés au déplacement et au piétinement, mais une épaisseur de 0,6 mm est parfois utilisée.
Autres matériaux
L’acier inoxydable est normalement utilisé dans des applications caractérisées par d’importantes exigences en matière d’hygiène, ou lorsqu’une résistance élevée à un environnement intérieur agressif est requise. C’est pourquoi les surfaces en acier inoxydable se prêtent à des revêtements de haute qualité et nécessitant peu d’entretien. La résistance à la corrosion de l’acier inoxydable est principalement due à sa teneur en chrome, qui empêche l’oxydation du fer.
Le cuivre est également un matériau alternatif utilisé pour réduire le besoin d’entretien du revêtement des bâtiments. La résistance à la corrosion offerte par le cuivre est due à une fine couche d’oxyde qui se forme progressivement à la surface, ce qui rend le panneau composite adapté aux environnements ruraux, urbains et également marins. La couleur d’origine s’assombrit en raison de l’oxydation. L’oxydation complète est obtenue en 4÷6 ans en milieu marin, 8÷15 ans en milieu urbain et peut nécessiter 20-50 ans en milieu rural.
Du point de vue de la production, l’adhérence entre les surfaces en acier inoxydable et en cuivre et le noyau est similaire à celle obtenue avec de l’acier galvanisé et de l’aluminium. Pour garantir une bonne adhérence au noyau, les faces des surfaces métalliques qui entrent en contact avec la mousse sont recouvertes d’un apprêt approprié. C’est pourquoi les bobines de métal sont livrées par le fabricant avec la face intérieure recouverte d’une couche de 5 microns d’épaisseur d’une peinture spéciale appelée backcoat.
Mousses rigides
Les mousses rigides les plus fréquemment utilisées dans la production de panneaux composites sont les suivantes :
- polyuréthane / polyisocyanurate (PUR/PIR)
- résine phénolique (PF).
Ces deux matériaux ont une structure à cellules fermées, avec environ 90 % de cellules fermées, et une faible inertie thermique. En outre, ils sont dits thermodurcissables, ce qui signifie qu’une fois moulés, ils ne peuvent pas changer de forme en raison de la formation importante de liaisons entre les molécules.
Polyuréthane / Polyisocyanurate (PUR/PIR)
Les principaux composants des mousses de polyuréthane et de polyisocyanurate sont les suivants :
- polyol
- isocyanate
- un agent d’expansion
- un activateur pour contrôler la réaction
Jusqu’à récemment, les agents gonflants étaient presque toujours des chlorofluorocarbones, dont l’utilisation a été interdite par le protocole de Montréal, car ils sont connus pour être l’une des causes de l’appauvrissement de la couche d’ozone. Aujourd’hui, les agents gonflants les plus couramment utilisés dans la production de panneaux composites sont diverses formes de pentane et d’eau, qui, en réagissant avec l’isocyanate, libèrent du dioxyde de carbone CO2.
Dans certains cas, un agent ignifuge peut être injecté dans le mélange pour augmenter la résistance au feu du panneau. Le principal inconvénient de l’utilisation de retardateurs de flamme est lié à l’augmentation de la fumée noire produite en cas d’incendie.
Une fois les composants chimiques mélangés (Fig. 2.3), le liquide commence à mousser et à se dilater rapidement (Fig. 2.4). Le temps écoulé entre le premier mélange des composants et le durcissement de la mousse est compris entre 3 et 6 minutes, en fonction de l’épaisseur souhaitée de la couche de mousse. La réaction chimique étant exothermique, des températures supérieures à 150 °C peuvent être atteintes au cœur des panneaux d’une épaisseur supérieure à 100 mm environ. Il est donc nécessaire de stocker les panneaux plus épais pendant au moins 24 heures pour que la phase de durcissement et de refroidissement soit achevée et que les panneaux puissent être expédiés.
Les mousses de polyisocyanurate (PIR) ne diffèrent des mousses de polyuréthane pur (PUR) que par le rapport de mélange des composants, à savoir le polyol et l’isocyanate. Ce rapport est d’environ 100:150 contre 100:100 pour le PUR. Il y a donc plus d’isocyanate dans le PIR que dans le PUR. Cette différence de composition confère au matériau final des propriétés différentes en raison de la différence de structure chimique, même si le processus de moussage et les propriétés mécaniques et physiques sont normalement similaires.
Les mousses PIR sont utilisées uniquement pour leur stabilité thermique supérieure et leurs caractéristiques de résistance au feu. Alors qu’une mousse de polyuréthane pure se décompose progressivement si elle est exposée à des températures supérieures à 250 °C, une mousse PIR résiste généralement à des températures supérieures à 350 °C avant de commencer à se décomposer. En outre, une couche carbonisée stable se forme dans cette couche, ce qui améliore considérablement la performance au feu. Cette amélioration du comportement au feu est obtenue au prix d’un processus de fabrication plus coûteux, car la réaction chimique exige (pour se produire) une température égale à environ 40÷45 °C, c’est-à-dire égale au double de celle requise pour la réaction d’une mousse de polyuréthane.
La structure de la mousse durcie se compose principalement de cellules fermées séparées les unes des autres par de fines membranes (Fig. 2.5), contrairement à la structure cellulaire ouverte qui caractérise les mousses souples (Fig. 2.6). Les cellules contiennent un agent gonflant et généralement des traces de dioxyde de carbone (CO2).
Le CO2 s’échappe très rapidement à travers les membranes et, au bout d’un certain temps, les cellules fermées contiennent principalement de l’agent gonflant qui possède d’excellentes propriétés isolantes. L’air peut alors se diffuser hors de la mousse, mais cela n’a que peu d’influence sur les propriétés isolantes.
Classification des mousses de polyuréthane (PUR)
Les mousses de polyuréthane sont normalement classées en fonction de leur réaction au feu selon la méthode d’essai allemande définie par la norme DIN 4102-1. Selon cette norme, une mousse de polyuréthane chargée d’agents ignifuges présente de meilleures caractéristiques de réaction au feu et peut être classée dans la catégorie B2, tandis que toutes les autres appartiennent à la catégorie B3.
La nécessité d’une telle classification découle du fait que, pour obtenir la classification allemande Zulassung, la mousse de polyuréthane doit être classée B2. C’est pourquoi cette convention est aujourd’hui largement acceptée par les fabricants de mousse de polyuréthane (y compris Metecno), qui désignent par PUR B2 le matériau présentant les meilleures caractéristiques de réaction au feu, et par PUR B3 une mousse de polyuréthane aux propriétés “standard”.
La même règle s’applique également en France où, pour obtenir la classification française Avis Techniques, la mousse de polyuréthane présentant la meilleure performance au feu est classée M2, bien qu’il s’agisse exactement du même matériau que celui utilisé pour obtenir la Zulassung. Il est évident que pour obtenir cette certification, la mousse devra être testée conformément à la législation française en la matière, qui peut différer de la législation allemande.
En conclusion, B2 et B3 identifient un type de mousse de polyuréthane présentant des caractéristiques particulières de résistance au feu.
Mousse de résine phénolique (PF)
La recherche d’une sécurité incendie accrue dans les bâtiments équipés de panneaux composites a conduit à envisager l’utilisation de la mousse phénolique rigide, également composée d’un matériau thermodurcissable, comme noyau des panneaux sandwichs. Par rapport à d’autres mousses rigides, elle présente une très faible conductivité thermique et d’excellentes performances en matière de lutte contre le feu, notamment :
- résistance élevée à l’allumage
- des temps de combustion lents
- des taux d’émission de fumée très faibles
- émission de fumées invisibles.
La mousse phénolique est produite à partir de résine de formaldéhyde liquide, qui est mélangée à un solvant très volatil comme agent gonflant, et à un agent inducteur. Avec l’application d’un champ de température, le mélange commence à mousser puis à durcir.
La mousse phénolique est de préférence produite en plaques, qui sont ensuite découpées en feuilles et assemblées avec les surfaces métalliques à l’aide de substances adhésives. En effet, la production de mousse phénolique s’accompagne d’une quantité considérable d’eau acide résiduelle, ce qui empêche un processus de laminage continu facile avec les surfaces métalliques.
En outre, la mousse phénolique est un matériau plutôt friable, ce qui nécessite un certain soin pour les applications de plafond ou de soffite, qui peuvent être soumises à un trafic piétonnier ; dans ces cas, une délamination précoce peut se produire en raison de la pression répétée appliquée.
Propriétés caractéristiques des mousses rigides
Densité
La densité de la mousse est très importante, car le coût du matériau influe davantage sur le coût final du produit fini que le coût de production ; l’objectif est donc d’obtenir les mêmes propriétés physiques avec la densité la plus faible possible.
La plupart des propriétés mécaniques de la mousse sont liées à sa densité. La densité des mousses rigides utilisées par Metecno dans la production de panneaux sandwichs peut varier dans les fourchettes suivantes :
- Polyuréthane (PUR) B2 : 40 ± 4 Kg/m3
- Polyuréthane (PUR) B3 : 38 ± 4 Kg/m3
- Polyisocyanurate (PIR) : 45 ± 5 Kg/m3
Isolation thermique
Le flux de chaleur à travers les mousses rigides est principalement dû à la conduction de la chaleur à travers les gaz contenus dans leur structure cellulaire. La conductivité thermique est fortement influencée par le type de gaz piégé dans les cellules de la mousse, et la plupart des agents gonflants sont efficaces à cet égard.
Dans le PUR, la valeur de la conductivité thermique est d’environ 0,020÷0,024 W/m°C immédiatement après la production. Grâce à l’effet d’étanchéité au gaz offert par les surfaces métalliques, les variations ultérieures de la composition des gaz piégés dans la structure cellulaire de la mousse sont limitées, bien que la valeur à long terme puisse augmenter jusqu’à 0,024÷0,030 W/m°C.
Les dalles de laine de verre peuvent être produites de la même manière, en partant toutefois d’une fusion de sable de quartz, de carbonate de sodium et de chaux, ou de verre recyclé. Dans une autre méthode de production (dite méthode TEL), illustrée à la figure 2.9, la matière fondue est pressée ou aspirée par de petites buses avec de l’air comprimé. Les propriétés de la laine de verre sont similaires à celles de la laine de roche, à l’exception d’un point de fusion plus bas et d’une plus grande quantité de liant, généralement entre 4 et 15 %.
En réglant la vitesse de la bande et d’autres paramètres du processus, la densité et l’épaisseur de la dalle peuvent être rapidement modifiées.
En raison du processus de production, toutes les dalles de laine minérale sont hautement orthotropes. En effet, les fibres les plus longues sont alignées le long de la bande transporteuse et conservent la même orientation dans la dalle finie (Fig. 2.10). Les fibres les plus courtes ont une orientation plus décontractée, ce qui explique que les dalles de laine minérale soient plus rigides dans leur plan. En tout état de cause, ces dalles doivent une grande partie de leur rigidité et de leur résistance aux liants utilisés.
Parmi les types de laine mentionnés ci-dessus, la laine minérale, dont le matériau de base est la roche naturelle, présente la meilleure résistance aux températures élevées et à l’humidité. En outre, la structure fibreuse ne présente pas de pores fermés, ce qui rend les dalles beaucoup plus sensibles à l’absorption d’eau et à la diffusion de vapeur. Avec l’ajout d’additifs appropriés, l’absorption d’eau de la laine de roche peut être réduite à des valeurs inférieures à celles du polystyrène.
Propriétés caractéristiques de la laine minérale
Densité
La densité de la laine minérale utilisée pour les panneaux sandwichs peut être considérée comme variant entre 90 et 145 kg/m3.
Propriétés mécaniques
La laine minérale cesse de se comporter de manière élastique lorsque les fibres et l’adhérence entre les fibres sont perdues. La résistance augmente avec la densité, mais dépend davantage de la structure interne de la laine que de la seule densité.
La résistance à la compression dans la direction normale à l’orientation des fibres varie généralement entre 0,005÷0,08 N/mm2. La résistance à la traction correspondante est inférieure et se situe dans une fourchette de 0,001÷0,01 N/mm2.
Les propriétés correspondantes dans la direction parallèle à la fibre sont beaucoup plus élevées.
La résistance au cisaillement varie de 0,03 à 0,20 N/mm2, et le module de cisaillement correspondant varie de 2 à 20 N/mm2.
La résistance à la traction est comprise entre 0,03 et 1,0 N/mm2, et le module d’élasticité correspondant entre 5 et 40 N/mm2.
La résistance à la compression varie entre 0,10÷0,15 N/mm2, et le module d’élasticité correspondant entre 6÷20 N/mm2.
Absorption de l’eau
Dans des conditions normales d’utilisation, l’absorption d’eau par la laine minérale est faible et, dans les panneaux composites, en raison de la protection offerte par les surfaces extérieures, elle est normalement réduite à 0,2 ÷ 0,5 %. L’absorption d’eau de la laine minérale peut être encore réduite par l’utilisation de silicone, d’huile minérale ou d’autres additifs. L’absorption d’eau de la laine de roche est inférieure à celle de la laine de verre, même lorsque la teneur en liant est plus faible. Cela est dû à une différence dans la structure interne du matériau.
Isolation thermique
Par rapport aux mousses rigides à structure cellulaire fermée, la conduction thermique de l’air dans la laine a une grande influence sur le flux de chaleur. En effet, environ 75 % du flux de chaleur est dû aux phénomènes de convection et de conduction liés à la présence de l’air. La conductivité thermique mesurée sur les dalles de laine minérale est pratiquement constante dans la plage de densité de 60÷150 Kg/m3, et est égale à 0,033÷0,034 W/m°C.
Combustibilité et autres propriétés liées à la présence d’incendies potentiels
Les laines minérales à faible teneur en liant organique sont pratiquement incombustibles. Comme la teneur en liant de la laine de verre est généralement supérieure à 5 %, la laine de verre n’est généralement pas classée comme incombustible. Les fibres elles-mêmes ne brûlent pas mais fondent ; les fibres de verre fondent à 650 °C, tandis que les fibres de roche ne fondent qu’à 1000 °C.
