Le dioxyde de silicium est le principal composant structurel du verre. Il lui confère une résistance élevée et une bonne stabilité chimique. Voilà pourquoi le sable de quartz est la matière première industrielle la plus importante dans l'industrie du verreIl est utilisé dans le verre plat, le verre d'emballage, le verre ultra-clair, le verre photovoltaïque, le verre de quartz, etc.
Selon les statistiques, la production chinoise de verre plat en 2023 s'élevait à 969,418 millions de boîtes. La consommation de sable de quartz était d'environ 32,47 millions de tonnes.
En 2023 également, la Chine a produit 24,783 millions de tonnes de verre laminé photovoltaïque. Il faut environ 0,71 tonne de sable de quartz à faible teneur en fer pour fabriquer une tonne de verre photovoltaïque, soit une consommation totale d'environ 17,6 millions de tonnes.
Sur la base de ces chiffres, la Chine aurait besoin de plus de 50 millions de tonnes de sable de quartz rien que pour le verre plat et le verre photovoltaïque en 2023.
Les exigences de qualité du sable de quartz dans l'industrie du verre portent principalement sur trois éléments : la composition chimique, la stabilité et la granulométrie. Chaque type de verre nécessite un type de sable de quartz différent.
Les principaux types de produits en verre comprennent le verre plat, le verre d’emballage, le verre trempé, le verre photovoltaïque et le verre électronique.
Actuellement, la Chine a des exigences plus faibles en matière de quartz utilisé dans les produits verriers courants, comme le verre plat et le verre trempé. Ces types de quartz peuvent provenir de grandes sources faciles à extraire, comme le grès quartzeux et le quartzite.
Pour le verre ultra-clair à faible teneur en fer, comme le verre photovoltaïque, le sable de quartz doit être de qualité légèrement supérieure. Il peut être produit à partir de grès quartzeux de haute qualité, de quartz filonien, de quartzite ou de sable de quartz naturel.
Le verre de quartz nécessite du sable de quartz de haute pureté.
1. Verre plat
Depuis 1988, la Chine est le premier producteur mondial de verre plat depuis 35 ans consécutifs. Les autres pays ne l'ont pas encore rattrapé.
En 2024, la production de verre plat des grandes entreprises chinoises devrait atteindre 1 milliard de boîtes de poids, soit une augmentation de 2,9% par rapport à l'année précédente.
Le verre plat est le matériau de base utilisé dans la transformation ultérieure du verre. Il désigne généralement le verre plat commun, également appelé verre original ou verre clair. C'est le type de verre le plus utilisé.
Les produits en verre plat comprennent le verre armé, le verre à motifs, les briques de verre, le verre isolant et autres.
Les exigences en matière de sable de quartz varient selon les produits de verre plat. Selon sa composition chimique et sa granulométrie, le sable de quartz utilisé dans le verre plat se divise en deux catégories :
Classe I : teneur inférieure en oxyde d'aluminium (Al₂O₃)
Classe II : teneur plus élevée en oxyde d'aluminium
La norme industrielle JC/T 529-2000 « Matières premières en silice pour le verre plat » définit les exigences relatives à la composition chimique, à la granulométrie et à d'autres propriétés du sable de quartz utilisé dans le verre plat.
Composition chimique et exigences en matière de teneur en humidité du sable de quartz pour le verre plat
| Quartz Qualité du sable | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| Classe I | ||||
| Qualité supérieure | ≥98,50 | ≤0,50 | ≤0,05 | |
| ≥98,00 | ≤1,20 | |||
| Première année | ≥98,50 | ≤0,70 | ≤0,10 | |
| ≥97,50 | ≤1,20 | ≤5,00 | ||
| Deuxième année | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,15 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Troisième année | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,20 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Classe II | ||||
| Première année | ≥92,00 | ≤4,00 | ≤0,20 | |
| Deuxième année | ≥90,50 | ≤4,50 | ≤0,30 |
Exigences relatives à la valeur de fluctuation de la composition chimique du sable de quartz pour le verre plat
| Qualité du sable de quartz | Valeur de fluctuation de la composition chimique % | ||
| SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| Classe I | |||
| Qualité supérieure | ±0,20 | ±0,10 | ±0,01 |
| Première année | ±0,30 | ±0,15 | – |
| Deuxième année | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Troisième année | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Classe II | |||
| Première année | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Deuxième année | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Qualité du sable de quartz | Composition granulométrique / % | |||
| +1 mm | +710 µm | +500 µm | -100 µm (-125 µm) | |
| Classe I | ||||
| Qualité supérieure | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
| Première année | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤10,0 (5,0) |
| Deuxième année | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤20,0 (8,0) |
| Troisième année | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤20,0 (8,0) |
| Classe II | ||||
| Première année | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
| Deuxième année | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
Note:Les valeurs entre parenthèses sont les exigences pour les produits de sable de silice naturel.
2. Verre quotidien
Le verre d'usage courant comprend les bouteilles, les récipients, la verrerie de laboratoire et le verre pharmaceutique. Il est utilisé pour l'emballage nourriture, les industries des boissons, de la brasserie et de la pharmacie, par exemple les bouteilles de bière, les verres à boire, les décorations en verre et les flacons de médicaments.
Le verre borosilicaté pharmaceutique doit résister à la chaleur et à la corrosion chimique.
Le sable de quartz fond à une température élevée d'environ 1730 °C. La taille des particules de quartz influence la formation du verre.
En production réelle, les grains de quartz doivent être anguleux et présenter une grande surface, ce qui permet d'éviter la séparation des matériaux lors du mélange. La granulométrie idéale se situe entre 60 et 140 mesh.
La norme industrielle DZ/T 0207-2002 « Spécifications pour l'exploration géologique des matières premières à base de silice de verre » décrit les exigences de qualité du sable de quartz utilisé dans le verre d'emballage.
Exigences de qualité du sable de quartz pour le verre d'emballage
| Indicateur | 1re année | 2e année | 3e année |
|---|---|---|---|
| w(SiO₂)/% | >99 | >96 | >90 |
| w(Al₂O₃)/% | <1,0 | <2.0 | <4.0 |
| w(Fe₂O₃)/% | <0,05 | <0,10 | <0,35 |
| w(Cr₂O₃)/% | <0,001 | — | — |
| Note: | Verrerie de laboratoire (à l'exclusion du verre en cristal) | Verre d'emballage général et verre incolore | Bouteille et bocal en verre courants |
3. Verre photovoltaïque
Le verre photovoltaïque est fabriqué à partir de feuilles de verre ultra-blanches grâce à un traitement en profondeur.
Le verre ultra-blanc, également connu sous le nom de verre à faible teneur en fer ou à haute transparence, est un nouveau type de verre avec une transmission lumineuse très élevée (≥ 91,5%), une faible teneur en fer (généralement 100 à 150 ppm) et un aspect extrêmement clair.
Parce que le verre photovoltaïque doit laisser passer le plus de lumière possible, il nécessite du sable de quartz à très faible teneur en ferLe fer présent dans le sable peut tacher le verre et réduire la transmission de la lumière.
La norme industrielle JC/T 2314-2015 « Matières premières en silicium pour le verre photovoltaïque » définit des exigences de qualité strictes pour le sable de quartz utilisé dans ce type de verre.
| Paramètre | 1re année | 2e année |
|---|---|---|
| SiO₂/% | ≥ 99,5 | ≥99,0 |
| Al₂O₃/% | ≤0,20 | ≤0,50 |
| TiO₂/(mg/kg) | ≤10 | ≤20 |
| Fe₂O₃/(mg/kg) | ≤60 | ≤80 |
| Cr₂O₃/(mg/kg) | ≤2 | ≤5 |
| Résidu de tamis de 1,0 mm/% | – | 0 |
| Résidu de tamis de 0,6 mm/% | ≤1,5 | ≤1,5 |
| 0,1 mm sous-dimensionné/% | ≤5,0 | ≤5,0 |
| Humidité adsorbée/% | ≤5,0 | ≤5,0 |
La pureté du sable de quartz est mesurée principalement par sa teneur en dioxyde de silicium (SiO₂). Pour le verre photovoltaïque, la teneur en SiO₂ requise est d'au moins 99,99% (appelé niveau 4N), et certains produits haut de gamme nécessitent même 99,998% (niveau 4N8).
C'est beaucoup plus élevé que le verre ordinaire, qui nécessite généralement SiO₂ ≥ 99,5%, car même de minuscules impuretés peuvent réduire la transmission lumineuse du verre et réduire l'efficacité des panneaux solaires.
Quelques exigences clés :
• Fer (Fe) : Fe₂O₃ est un indicateur critique, car le fer affecte la couleur et la transparence.
La norme JC/T 2314-2015 exige Fe₂O₃ ≤ 100 ppm, mais de nombreux fabricants la contrôlent en dessous de 50 ppm.
Pour le verre ultra-blanc, Fe₂O₃ doit être ≤ 0,015% (150 ppm), et les produits haut de gamme nécessitent souvent ≤ 80 ppm.
• Titane (Ti) : TiO₂ ≤ 300 ppm. Une trop grande quantité de titane peut jaunir le verre et bloquer la lumière.
• Aluminium (Al) et calcium (Ca) : Al₂O₃ ≤ 100 ppm, CaO ≤ 0,1%. Des quantités élevées peuvent provoquer la formation de cristaux à haute température ou affecter la fusion du verre.
• Métaux alcalins (K, Na) : Le total de K₂O + Na₂O doit être ≤ 2,5 μg/g pour éviter l'accumulation d'alcalis en surface et les problèmes de conductivité.
• Oligo-éléments : B ≤ 5 μg/g, Mn ≤ 1 μg/g. Les minéraux lourds comme Cr et Ni doivent être ≤ 5 ppm pour éviter les défauts ou affecter les performances électriques.
La granulométrie du sable de quartz est également importante. Elle influence la régularité de la fusion du verre et la quantité de lumière qu'il laisse passer.
Le sable de quartz pour le verre photovoltaïque doit avoir une granulométrie comprise entre 70 et 350 μm, et au moins 90% du sable doit se situer dans cette plage. Si les particules sont trop petites (<100 μm), elles fondent trop tôt et réduisent le transfert de chaleur.
Si les particules sont trop grosses (> 300 μm), elles risquent de ne pas fondre complètement et de provoquer des bulles ou des pierres dans le verre.
Exigences de classification typiques pour le sable de quartz pour le verre photovoltaïque :
• 0,1–0,25 mm (100–250 μm) : 5%–20%
• 0,25–0,5 mm (250–500 μm) : 20%–35%
4. Verre électronique
Le verre électronique comprend les substrats d'affichage, les verres de protection haute résistance et les verres d'écran tactile ultra-fins. On peut citer par exemple les coques de téléphones portables, les écrans tactiles et les écrans de tablettes. La plupart des verres de protection d'écran tactile actuels sont en silicate d'alumine.
Par exemple, le verre utilisé dans les substrats TFT-LCD (écrans à cristaux liquides à transistors en couches minces) ne doit pas contenir d'oxydes de métaux alcalins. Pour garantir la stabilité chimique et éviter les impuretés nocives, le quartz doit subir un enrichissement et une purification afin de contrôler les teneurs en Fe, K et Na.
La norme d'entreprise Q/245400 KS02-2020 de Kaisheng Quartz Materials (Huangshan Co., Ltd.) fournit des exigences spécifiques pour la taille des particules et la composition chimique de la poudre de quartz de haute pureté utilisée dans les substrats en verre TFT-LCD.
Tableau 1 : Exigences relatives à la distribution granulométrique (analyse par tamisage)
| Paramètre | +150μm (+100 mesh) | -150 μm~+106 μm (-100~+140 mesh) | -75 μm~+45 μm (-200~+325 mesh) | -45 μm~+20 μm (-325~+635 mesh) | -20 μm (-635 mesh) |
| Standard | 0 | ≤2,5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
Tableau 2 : Exigences relatives à l'analyse granulométrique au laser
| Paramètre | D₁₀ (μm) | D₅₀ (μm) | D₉₀ (μm) |
| Standard | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
Tableau 3 : Spécifications de composition chimique
| Paramètre | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | SO₃ | TiO₂ | Cr+Ni+Co+Mn |
| Limite/% | ≥ 99,8 | ≤0,05 | ≤0,01 | ≤0,02 | ≤0,03 | ≤0,002 | ≤0,001 |
| Paramètre | CaO | Cl | MgO | Cu | F | Zr | LOI |
| Limite/% | ≤0,02 | ≤0,001 | ≤0,003 | ≤0,001 | ≤0,001 | ≤0,001 | <0,1 |
5. Verre de quartz
Le verre de quartz est considéré comme le « joyau de la couronne » des matériaux en verre.
Il est entièrement composé de SiO₂ et possède d’excellentes propriétés mécaniques, thermiques, optiques et électriques.
Le verre de quartz est largement utilisé dans les semi-conducteurs, les dispositifs optiques, la fibre optique, l'énergie solaire, etc.
Il présente une excellente transmission de la lumière sur les longueurs d'onde UV, visibles et infrarouges (160–4 500 nm), ce qui le rend important pour l'éclairage industriel.
Dans les instruments optiques, le verre de quartz est utilisé dans les spectromètres, les caméras infrarouges, les prismes et les lentilles.
Il peut résister à des températures très élevées, généralement comprises entre 800 et 1 000 °C.
Le verre de quartz optique est également utilisé dans les équipements de photographie à haute température, tels que les fenêtres d'observation, les télémètres et les grands télescopes.
Le verre de quartz est fabriqué à partir de sable de quartz de haute pureté, traité par des méthodes de fusion électrique ou de raffinage au gaz.
Comparaison des procédés de production de matériaux en quartz
| Matériel | Sable de cristal/quartz naturel | Sable de cristal/quartz naturel | Tétrachlorure de silicium | Tétrachlorure de silicium |
| Processus | Fusion électrique : Chauffage par résistance à l'arc ou sous vide | Fusion à la flamme de gaz : fusion à la flamme oxyhydrogène | MCVD : Hydrolyse en flamme oxhydrique | PCVD : Oxydation à haute température dans une flamme de plasma sans hydrogène |
| Propriétés | – Teneur en OH : 150 ppm – Contenu Al : 30 à 100 ppm – Métaux alcalins : 5 à 10 ppm | – Teneur en OH : 180-250 ppm – Teneur en Al : < 20 ppm – Métaux alcalins : < 5 ppm | – Teneur en OH : >1000 ppm – Teneur en H : >100 ppm – Impuretés métalliques : <1 ppm | – Teneur en OH : < 5 ppm – Impuretés : <1 ppm – Teneur en N : < 200 ppm – Plage de transmission : 0,18-3,5 μm |
| Avantages | Teneur en OH inférieure à celle de la fusion à la flamme Point de ramollissement 50 à 100 °C plus élevé que les autres méthodes | – Haute efficacité thermique – Faible perte de matière – Quelques bulles – Meilleure transmission UV – Résistance supérieure à la cristallisation – Durée de vie plus longue – Coût de production inférieur | – Très faibles impuretés – Excellente homogénéité optique – Transmission UV – Résistance aux radiations | – Pureté : >99,9999% – Teneur en OH extrêmement faible - Homogénéité optique exceptionnelle |
| Inconvénients | Teneur en métal plus élevée | Teneur en OH plus élevée Point de ramollissement inférieur à celui des produits de fusion électrique | Teneur excessive en OH Coût élevé des matières premières | Coûts élevés des matières premières et de la production |
Par exemple, les produits à base de sable de quartz de haute pureté de Sibelco (anciennement Unimin) — tels que les séries IOTA6, IOTASTD et IOTACG — sont des matériaux essentiels pour la fabrication d'équipements d'éclairage tels que les lampes au xénon automobiles, les lampes halogènes, les lampes à décharge à haute intensité et les lampes à ultra-haute performance.
Exigences relatives aux impuretés du sable de quartz dans la fabrication du verre de quartz
| Application industrielle | Origine | Principaux éléments d'impureté et teneur (ppm) | |||||||
| Al | Fe | Ti | Californie | B | K | N / A | Li | ||
| Source de lumière électrique | Chine | Total : 50-100 ppm | |||||||
| Industrie chimique | tchèque | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| Semi-conducteur | Chine | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| Semi-conducteur (haute qualité) | USA | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| Russie | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| Tubes à fibres optiques | Brésil | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| Lentilles optiques | USA | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
