Le potentiel toujours prometteur des composites à base de fibres de basalte

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Si vous extrayez des roches formées à l'origine à partir du refroidissement rapide de lave riche en magnésium et en fer et que vous trouvez un moyen de produire des fibres à partir de cette roche, il n'est pas surprenant que la fibre présente d'excellentes propriétés d'isolation thermique et de résistance au feu, ainsi que de très hautes températures de service. Ces propriétés clés ont fait de la fibre de basalte un matériau standard pour les produits d'isolation dans les applications à haute température, comme le revêtement des fours industriels et les câbles ignifuges. Le producteur de fibres de basalte Kamenny Vek (Dubna, Russie), par exemple, fournit une grande partie de son produit à l'industrie automobile américaine pour l'isolation des systèmes d'échappement, ainsi qu'aux producteurs de matériaux résistant à la chaleur pour applications industrielles.

En plus de ses propriétés thermiques, la fibre de basalte combine résistance, résistance aux chocs et inertie chimique, ce qui en fait également un candidat intéressant pour les applications composites. La question demeure donc : Quand les composites polymères renforcés de fibres de basalte (BFRP) auront-ils une pénétration significative du marché ?

Selon James Streetman, directeur d'Advanced Filament Technologies (Houston, Texas, États-Unis), les applications BFRP " ont été à cinq ans d'une percée majeure au cours des 15 dernières années " Advanced Filament Technologies offre la fibre de basalte Sudaglass, fabriquée à l'origine à Sudogda, en Russie, et maintenant produite par GBF Basalt Fiber Co. (Zhejiang, Chine). Sans blague, un optimisme prudent peut mieux décrire l'humeur de Streetman - et plus généralement, l'humeur de nombreux intervenants de BFRP. Par exemple, Nick Gencarelle, directeur chez Smarter Building Systems (Newport, R.I., U.S.), décrit le marché du BFRP comme " très lent, plat - mais au cours des deux dernières années, les choses ont commencé à s'ouvrir un peu. Les ingénieurs en structure commencent à mieux comprendre le besoin de BFRP."

L'investissement récent de 20 millions de dollars pour la construction de la première usine de production de fibres de basalte aux États-Unis est un signe clair que BFRP est sur le point de connaître une croissance. Le relatif nouveau venu Mafic (Kells, County Meath, Irlande) construit l'usine de Shelby, Caroline du Nord, et s'attend à ce qu'elle "chauffe" au troisième trimestre de 2019, rapporte Jeffrey Thompson, directeur du marketing de Mafic.

Il semblerait que l'attrait des caractéristiques de performance de la fibre de basalte et le potentiel de pénétration considérable du marché des PRBFV soient forts. En conséquence, les fabricants de fibres de basalte poursuivent résolument ce marché et sont en train d'aplanir les problèmes techniques et commerciaux qui, jusqu'à présent, ont empêché cette percée de se produire.

L'idée de créer des fibres à partir de basalte n'est pas nouvelle ; le premier brevet pour la fabrication de fibres de basalte a été délivré en 1923, et l'application à la quincaillerie militaire a fait l'objet de nombreuses recherches dans les années 1950 et 1960. Même les grands producteurs de fibres de verre ont exploré le potentiel du basalte, bien qu'ils aient abandonné cette orientation dans les années 1970 pour concentrer leurs efforts de R-D sur des fibres de verre plus performantes, dont le verre S-2. Bien que l'intérêt pour le développement de composites renforcés de fibres de basalte ait fluctué au cours de ces décennies, il a persisté et augmenté au cours des dernières années.

Un rapport de juin 2015 MarketsandMarkets Research (Pune, Inde) estime que la croissance globale à court terme du marché des fibres de basalte, y compris les applications composites et non composites, sera substantielle. Selon le rapport, le marché mondial de la fibre de basalte atteindra 200 millions de dollars en 2020, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 13,1 % entre 2015 et 2020. "Nous sommes en train de mettre à jour notre étude existante sur le marché de la fibre de basalte ", déclare Pankaj Kumar Tiwari, directeur associé, Marchés et Marchés, " car nous avons assisté à des changements significatifs sur ce marché en 2018 En tant que contributeurs au changement du marché, il cite l'utilisation croissante de la fibre de basalte dans les composites hybrides, une demande croissante du marché automobile et l'attrait de la recyclabilité du basalte combiné à sa force (qui serait supérieure à celle du verre E). Tiwari mentionne également deux événements spécifiques. En 2018, Owens Corning (Toledo, Ohio, États-Unis) a acquis Paroc Group (Helsinki, Finlande), fabricant de fibres isolantes en basalte ; Michelman (Cincinnati, Ohio, États-Unis), un fabricant de fibres mafiques et d'enduits à base de fibres, a également annoncé un partenariat axé sur les composites en basalte.

Les propriétés thermiques de la fibre de basalte sont intéressantes au-delà des applications d'isolation non composite. Les possibilités de BFRP s'ouvrent dans les applications exigeant des températures de service élevées et/ou étendues. Une autre propriété, la résistance aux chocs, différencie significativement la fibre de basalte du verre et du carbone. Une étude préliminaire réalisée par le Aachen Center for Integrative Lightweight Construction et l'Institut für Textiltechnik der RWTH (Aix-la-Chapelle, Allemagne), par exemple, a démontré une capacité d'absorption d'énergie spécifique supérieure d'environ 35 % à celle du verre HYWF/polyamide 6 et de 17 % à celle du carbone HYWF/polyamide 6 dans un tissu de cour (HYWF) en matériau composite de basalte.

Les oxydes de fer et d'aluminium de la roche de basalte créent d'autres caractéristiques favorables. Par exemple, la fibre de basalte offre une meilleure résistance à la corrosion et au feu que celle fournie par E-glass. De plus, une étude récente de Mafic en collaboration avec le Fraunhofer Project Center (London, Ontario, Canada) a confirmé un module de traction, une résistance à la traction et une résistance au cisaillement interlaminaire plus élevés, une résistance spécifique supérieure de 40 % et une rigidité spécifique de 20 % pour les panneaux test en fibre de basalt/époxy par rapport aux panneaux en E-glas/époxy fabriqués avec la même résine et le même procédé de fabrication. Kamenny Vek rapporte des résultats similaires.

La fibre de basalte présente une faible absorption d'eau, importante dans la construction et les applications de tuyauterie. La fibre de basalte est électriquement non conductrice. En tant que matériau naturel, il est aussi intrinsèquement plus recyclable que d'autres fibres de renforcement, un facteur que l'industrie automobile et d'autres industries prennent en considération. En résumé, Gencarelle qualifie la fibre de basalte de " plus maigre, plus verte et plus méchante " et plus résistante aux chocs que les autres choix de renforcement. Ces caractéristiques indiquent un point favorable pour les PRBF dans la fenêtre de performance entre les composites de verre E et de fibre de carbone. Comme l'exprime Thompson, " nous nous trouvons à combler l'écart de coût et de performance entre la fibre de carbone et la fibre de verre. Ce segment de marché a eu soif d'un produit pour combler cet espace."

Le passage de la fibre de carbone au basalte serait plus facile à réaliser qu'un passage du verre E au basalte, mais les deux cas peuvent être envisagés. En ce qui concerne la fibre de carbone, les économies de coûts sont généralement la principale justification d'un passage au BFRP ; les applications pour lesquelles la fibre de carbone dépasse les exigences de performance peuvent être satisfaites au point coût-performance offert par le basalte. Les différents modes de défaillance du carbone et du basalte sont également importants dans certaines applications. Alors que la fibre de carbone, lorsqu'elle est endommagée, a tendance à "se briser" de façon catastrophique et parfois à plus d'un endroit, la fibre de basalte subit ce qui pourrait être qualifié de mode de défaillance plus doux. Streetman illustre : "Quand une jambe prothétique en composite de carbone tombe en panne, l'utilisateur tombe ; avec une prothèse en composite de basalte, il s'assoit."

Bien que le coût relatif de la fibre de basalte ait diminué à mesure que les méthodes de production sont devenues plus efficaces, elle est toujours plus chère que le verre E - jusqu'au double du prix des applications à grand volume - pour qu'une application puisse absorber cette augmentation de coût, elle doit être adéquatement contrebalancée par des améliorations des caractéristiques de performance essentielles à l'application. Parmi les caractéristiques qui peuvent entrer en jeu, mentionnons des performances mécaniques supplémentaires comme la rigidité et la résistance, la résistance aux chocs, aux produits chimiques, à la corrosion et à l'eau, ainsi qu'une différence dans le mode de défaillance par rapport au verre, qui a tendance à se fendre plus que le basalte.

La méthode de fabrication de base de la fibre de basalte est assez simple : Tout comme pour la production de fibre de verre, la fibre de basalte est extrudée en filaments à partir de la matière première fondue, en l'occurrence des roches basaltiques extraites. L'efficacité matérielle de la fibre de basalte est renforcée par le fait qu'aucun matériau secondaire n'est nécessaire pour créer la fibre ou, comme le dit Gencarelle, "une livre de roche devient une livre de fibre" Le point de fusion du basalte à 1 500 °C est également comparable à celui du verre, pour lequel le point de fusion varie de 1 400 à 1 600 °C. Comme le basalte est opaque, il est plus difficile de chauffer uniformément que le verre, ce qui a créé un besoin d'améliorer la production, par exemple en conservant le produit fondu dans un réservoir pendant une période prolongée, en immergeant les électrodes dans le bain ou en utilisant un système de chauffage à deux étages. Ces progrès ont été réalisés et sont une technologie bien établie dans les usines de fibres de basalte.

Le fait que la matière première de la fibre de basalte soit d'origine naturelle entraîne un obstacle technique majeur : l'incohérence des propriétés des matières premières. C'est-à-dire que les roches extraites à différents endroits varient selon les quantités spécifiques de fer, de magnésium et d'autres constituants. Les paramètres clés ont varié jusqu'à 10 %. Soulignant que la fibre de verre a été confrontée au même défi en ce qui concerne la variation des matières premières, Streetman rapporte : " Nous avons fait des progrès dans la fourniture d'un produit standardisé

Dans le passé, la variation des propriétés des fibres de basalte a servi de revers aux applications potentielles. "Lorsqu'il a été démontré que le basalte était la meilleure fibre pour l'application, explique M. Thompson, l'incapacité du client à compter sur la disponibilité, la qualité et l'uniformité des matériaux signifiait que l'application ne serait pas commercialisée à ce moment-là " En surmontant cette variation, " la matière première est à la fois l'aspect le plus important et le moins important de notre processus ", déclare Thompson. "Une fois que vous avez identifié une source constante, ce n'est plus un problème." Mafic utilise une source européenne pour ses installations irlandaises. Elle utilisera cette même source lorsqu'elle commencera à produire aux États-Unis, mais la société vise également une source américaine non divulguée pour l'approvisionnement futur de l'usine américaine. Tous les fabricants de fibres choisissent soigneusement le minerai à la source et le préqualifient, ce qui, avec l'amélioration des procédés de production, a permis d'obtenir une plus grande uniformité.

Historiquement, la fabrication de la fibre de basalte a été contrôlée manuellement, mais les fabricants de fibres améliorent la qualité et l'uniformité de leurs produits grâce à l'ajout de contrôles automatisés. Gencarelle rapporte que l'usine de fibre de basalte qu'il représente est certifiée ISO 9000. "Ils mettent l'accent sur le contrôle de la qualité des matières premières tout au long du processus ", note-t-il. Il estime que la limite inférieure de variation est d'environ 3 %, ce qui, il faut bien l'admettre, est peut-être trop élevé pour les applications structurelles de l'aérospatiale. Mais d'autres débouchés commerciaux abondent, notamment dans les secteurs des articles de sport, des prothèses, de la cryogénie et de l'énergie.

Pour ce qui est du marché, les fabricants de fibres de basalte signalent que le plus grand obstacle aujourd'hui est la réglementation. "De nombreux secteurs de l'industrie de la construction, explique Streetman, ne peuvent utiliser que des matériaux qui ont été acceptés dans le code Il mentionne le Florida Department of Transportation comme un organisme qui a été "plus avant-gardiste" et qui se rapproche des normes d'acceptation des composites de basalte. Gencarelle souligne également que l'American Concrete Institute a reconnu que les barres d'armature en basalte répondent aux exigences de l'institut pour les applications de barres d'armature. Il reste encore du travail à faire avant que la construction et d'autres industries ne parviennent à une large acceptation du code pour les composites de basalte.

Enfin, et c'est peut-être le plus important, les producteurs de fibres de basalte se retrouvent dans un marché "Catch-22", surtout en ce qui concerne les applications actuelles du verre E. Le volume important de nombreuses applications de ce type signifie que l'utilisation actuelle de la fibre est supérieure à la capacité actuelle que les installations de fabrication de fibre de basalte pourraient commencer à atteindre. Même si la fibre de basalte est techniquement la meilleure solution pour une application, les fabricants de composites ne veulent pas s'engager dans une conception BFRP à moins de savoir qu'ils peuvent obtenir suffisamment de produit. Inversement, puisqu'il faut de deux à quatre ans pour mettre en service une grande usine de fibre de basalte, les investisseurs veulent avoir l'assurance que la demande du marché sera là lorsque l'usine sera en service.

Si les fournisseurs de fibres de basalte peuvent indiquer une application qui se prête particulièrement bien à la croissance de BFRP, ce serait la barre d'armature. Comme les barres d'armature en fibre de verre, les barres d'armature en basalte sont considérablement plus légères que les barres d'acier conventionnelles, " plus de 70 % plus légères, en fait ", indique Gencarelle. "Une personne peut facilement soulever une bobine de 100 mètres de barres de basalte de 10 millimètres." Les avantages par rapport aux barres d'armature en verre comprennent la résistance naturelle du basalte à la rouille et aux liquides et produits chimiques corrosifs, poursuit-il. Il convient donc parfaitement aux applications marines, aux usines chimiques et à d'autres environnements potentiellement corrosifs. "De plus, la pénétration de l'humidité du béton ne s'écaille pas, de sorte qu'il n'a pas besoin d'un revêtement spécial comme les tiges en fibre de verre ", ajoute-t-il. Gencarelle met également en évidence la correspondance entre le coefficient de dilatation thermique des barres d'armature en basalte et celui du béton. Le fait qu'elle ne soit pas conductrice fait des barres d'armature en basalte une bonne option pour les bâtiments qui abritent des appareils d'IRM ou des opérations nécessitant beaucoup de données.

Gencarelle signale que des travaux sont en cours pour amener les usines de pultrusion de barres d'armature en basalte aux États-Unis, soulignant qu'une telle mesure aiderait à accroître la part de marché du basalte en évitant les tarifs et en permettant à ces usines d'être en concurrence pour des projets qui spécifient des barres d'armature fabriquées aux États-Unis.

Les travaux se poursuivent sur le front de la réglementation. Les barres d'armature en basalte sont incluses dans les codes nationaux de construction et sont largement utilisées dans l'industrie de la construction de pays comme la Russie, l'Ukraine et la Chine. "Dans d'autres pays, comme les États-Unis, le Canada, le Royaume-Uni, l'Italie et la Pologne, les barres d'armature en basalte sont largement utilisées dans des applications où la certification n'est pas requise, comme les piscines et les chemins de jardin ", explique Oleg Kuzyakin, directeur commercial pour Kamenny Vek. D'importants efforts de certification des barres d'armature en basalte sont en cours dans ces pays. "Dans certains pays européens comme l'Allemagne et la France, ce processus est plus coûteux, plus long et plus compliqué que dans d'autres ", ajoute Kuzyakin, " mais nous voyons aussi un intérêt croissant pour les barres d'armature en basalte dans ces pays "

Une activité plus sporadique caractérise d'autres applications et segments de marché. Streetman note, par exemple, que les constructeurs automobiles ont utilisé des panneaux BFRP composés de fibres hachées et d'une matrice thermoplastique pour améliorer la résistance aux chocs et à la corrosion. Ces programmes ont pris fin, cependant, et Streetman n'est au courant d'aucun travail BFRP en cours dans les applications automobiles de production. Kuzyakin confirme : "Les clients veulent utiliser notre fibre pour la production de différents types de panneaux pour camions et de pièces automobiles en polypropylène ou en résine polyamide, mais ce ne sont pas encore des projets commerciaux"

En Inde, en Russie et en Corée, la fibre de basalte hachée Kamenny Vek est utilisée pour fabriquer des plaquettes de frein. L'entreprise signale également qu'une quantité importante de sa fibre est utilisée dans des bouteilles de gaz naturel comprimé (GNC) pour les autobus et les camions ainsi que dans des applications résidentielles.

Un autre domaine d'application en pleine croissance est celui des tubes composites. Wavin Ekoplastik (Kostelec nad Labem, République tchèque) a développé un tube en polypropylène (PP) avec une couche renforcée de fibres de basalte qui présente une amélioration de 50 % de la résistance à la pression à haute température et de 20 % du débit par rapport au tube en fibre de verre/PP.

Le partenaire australien de Kamenny Vek, Basalt Fiber Tech (Melbourne, Australie), fournit des tissus de basalte pour des applications marines, et de nombreuses applications d'articles de sport utilisent également la fibre de la société, bien que Kuzyakin note que ces marchés ne sont pas actuellement des marchés à fort volume. "Les applications de l'énergie éolienne présentent un plus grand potentiel en termes de volume ", rapporte M. Kuzyakin. "Le vent est l'une des applications les plus importantes. Nous considérons qu'il est stratégiquement important mais à long terme en raison des procédures de certification et de qualification très longues, compliquées et coûteuses."

Les prothèses et les orthèses, comme nous l'avons déjà mentionné, bénéficient d'un plus grand "give" de la fibre de basalte Un article paru en novembre 2018 dans CW faisait état d'une demande de Coyote Designs (Boise, Idaho, É.-U.) en ce sens. Certains clients de l'entreprise ont trouvé que les composites à base de polymères de fibres de carbone étaient inconfortables et que les prothèses souffraient d'un taux élevé de rupture par fissuration. Fait intéressant, un autre facteur qui a rendu le passage au basalte attrayant est que, contrairement à la fabrication avec des fibres de basalte, la fabrication avec des fibres de carbone implique des masques, des équipements de protection et des systèmes de collecte de poussière pour la santé et la sécurité. BFRP a amélioré les propriétés de flexion de la prothèse et réduit considérablement le taux d'échec.

Dans les articles de sport, on utilise souvent une conception hybride carbone-basalte pour obtenir les avantages de chaque type de fibre. Le magazine numérique Basalt Today regorge d'exemples, dont les raquettes de badminton Wilson (Chicago, Ill., États-Unis), les snowboards Niche (Holladay, Utah, États-Unis) et les pagaies de kayak Nimbus Paddles (Heriot Bay, Colombie-Britannique, Canada).

Bien qu'une percée substantielle du PRBFB ne se soit pas encore concrétisée, des progrès semblent se produire sur tous les fronts nécessaires : efficacité et capacité de fabrication, présence mondiale, conception et développement de produits et activités réglementaires. "Nous pensons que nous sommes dans une situation fantastique aujourd'hui ", déclare M. Thompson, " et nos clients nous ont montré qu'ils le croient aussi, par leur niveau d'investissement et leur désir de voir nos installations américaines entrer en service "

Un bon rapport qualité-prix, un bon point de comparaison