LES VITRAGES OPACIFIANTS Vitrages à propriétés variables et ajustables

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1 LES VITRAGES OPACIFIANTS Vitrages à propriétés variables et ajustables
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Actuellement donc (en double ou triple vitrage) Avec couche peu émissive sur vitrage extérieur, on privilégie le confort d’été, Avec couche peu émissive sur vitrage intérieur, on privilégie le confort d’hiver Et généralement donc il faut trouver le meilleur compromis afin d’optimiser : Les gains d’énergies hiver/été Le confort visuel en transmission lumineuse Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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RAPPEL Double vitrage ou triple vitrage ? U = 1,1 W/m2K en double vitrage U = 0,6 W/m2K en triple vitrage Et … critères à intégrer : Poids du triple vitrage nécessite menuiserie adéquate Avec triple vitrage (très isolant) risque de condensation extérieure D’où réfléchir au meilleur choix : Cas rénovation Cas construction neuve (intégration de tous les facteurs .. PassivHaus) Facteur solaire souhaité Transmission lumineuse souhaitée Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Nouvelles solutions développées depuis les années 1980. Différentes recherches ont porté sur le développement de « vitrages opacifiants », à commande manuelle ou automatisée, ou en fonction des conditions climatiques. Ce sont : Les vitrages thermochromes Les vitrages photochromes Les vitrages à cristaux liquides Les vitrages électrochromes Les vitrages gazochromes - Les vitrages S P D ( à particules en suspension) Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les vitrages thermochromes Les vitrages thermochromes ont l’aptitude à changer de couleur en fonction de la température. La variation des propriétés optiques peut avoir lieu dans différents domaines du spectre électromagnétique. Les vitrages thermochromes sont généralement de deux types : De type organique De type inorganique Objectif : être capable de faire varier le flux de chaleur au travers du vitrage, entre 20 et 60% en fonction des conditions extérieures. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrage thermochrome de type organique 1er type : Une solution polymérique possédant les propriétés thermochromiques requises est disposée entre deux feuilles de verre. Cet « hydrogel » s’opacifie au-delà d'une certaine température coupant alors la transmission de la lumière visible et de l'infrarouge au travers du vitrage. En position verticale, cela induit inévitablement l'écoulement par gravité de la solution vers le bas, ce qui provoque une déformation du vitrage. Les feuilles de verre ont tendance à se rapprocher dans la partie supérieure du vitrage, tandis qu'elles deviennent bombées dans sa partie inférieure, engendrant des contraintes qui peuvent se traduire par un éclatement du vitrage. Pour maintenir constante la distance séparant les feuilles de verre en position verticale, on dispose entre les deux feuilles de verre des espaceurs collés à l'une des feuilles « billes, cylindres ou espaceurs cruciformes en verre). Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrage thermochrome de type organique 2ème type : On utilise un verre feuilleté « spécial » constituant le vitrage extérieur d'un double vitrage. Ce verre feuilleté contient un film plastique (PVB ou autre) revêtu d'une couche thermochrome (cristaux liquides ou autres polymères dopés avec un, ou des, métaux de transition). Ici aussi, la transmission et la couleur du film polymère se modifie sous l'effet de la température. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Exemple de verre thermochrome « organique dopé » (commercialisé) Disposé en position 1 dans un double ou triple vitrage : Verre laminé composé de deux verres clairs ou teintés L’intercalaire thermochrome constituant le feuilletage est en PVB modifié (dopé), d’une épaisseur de 1,52mm Cet intercalaire contient des nanoparticules d’oxyde de vanadium dopé qui changent de phase et de propriétés conductrice entre 25°C et 65°C L’estimation de durée de vie est de 15/20 ans L’estimation de prix est environ 5 fois plus cher qu’un VIR (ceci actuellement). Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Comparativement aux composés organiques, peu de matériaux inorganiques possèdent un effet thermochrome. Les plus connus sont repris dans le tableau suivant, où l'on indique également la température de changement de phase (changement de coloration). À ces matériaux s'ajoute également les pérovskites (ex : Nd NiO3 et Sm1-x Cax MnO3) également étudiés pour les verres. Dans le cas de VO2, s’il est dopé avec 1,9% de tungstène, cela abaisse la température de transition à 29°C, et la transmission du rayonnement infra rouge passe alors de 70% à 30%. Matériau température changement de phase (°C) NbO2 800° BiVO4 300° Al2-X CrXO3 183… 377 °C VO2 68 Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrage thermochrome de type inorganique Cas de l’oxyde de vanadium 1 : C’est le plus intéressant pour l'application vitrage. Il commute vers 68 °C d'un comportement isolant à un comportement conducteur lorsque que la température augmente. Ce changement du type semi-conducteur à métal est réversible. Semi-conducteur  T 68 °C  comportement métallique (transparent) (absorbant) La modification dans ses propriétés optiques est importante dans l'infrarouge, la couche devenant réfléchissante et absorbante dans cette zone de longueurs d'ondes. Ceci est d'autant plus intéressant que le spectre du visible (380 à 780 nm) est beaucoup moins affecté, ce qui est très intéressant pour un contrôle intelligent du transfert thermique. Pour abaisser la température de commutation de l'oxyde de vanadium à des températures de l'ordre de 30 °C, on incorpore dans la couche déposée un dopant qui peut être du niobium, du tantale, du mobdylène, de l'iridium, du tungstène, du fluor… Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrage thermochrome de type inorganique Cas de l’oxyde de vanadium 2 : À présent, la plupart des couches minces sont déposées sur les verres par la technique dite « magnétron », pulvérisation cathodique assistée par champ magnétique. Dans le cas du dépôt thermochrome à base d'oxyde de vanadium, la cathode utilisée est composée d'oxyde de vanadium déjà dopé. L'épaisseur de la couche déposée est à prendre en compte, il faut trouver le compromis acceptable et souhaitable en fonction de l'application du vitrage. En effet, l'oxyde de vanadium est absorbant et assez coloré dans le visible (de jaunâtre à bronze marqué). Ceci a amené les verriers à associer les couches VO2 à d'autres types de couches, et leurs épaisseurs sont à choisir (en fonction de celles-ci) lorsque l'on recherche une interaction entre lesdites couches. Généralement, les couches à base d'oxyde de vanadium ont des épaisseurs comprises entre 10 et 300 nanomètres, la préférence étant souvent comprise entre 30 et 100 nanomètres. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrage thermochrome de type inorganique Cas de l’oxyde de vanadium 3 : L'utilisation de « multicouches » déposées sur la même face du verre permet d'améliorer la sélectivité de l'effet recherché. Pour ses multiples couches on utilise la technique développée dans les empilements destinés aux couches dites « bas émissives » ou « anti solaire » du type : diélectrique/couche fonctionnelle/diélectrique ou encore en plus sélectif : Diélectrique / couche fonctionnelle / diélectrique / couche fonctionnelle / diélectrique Un des « diélectriques » peut être remplacé par la couche à base d'oxyde de vanadium. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrage thermochrome de type inorganique Cas de l’oxyde de vanadium : Exemple 1 : Verre/diélectrique/Ag/VO2/Ag/diélectrique 2mm / 40nm / 10nm / 40nm /10nm / 40nm le VO2 n’est pas dopé Exemple 2 : idem exemple 1 mais couche VO2 dopée fluor Exemple 3 : Verre/diélectrique/Ag / VO2/ Ag/ diélectrique 2mm/ 20nm TiO2 /16nm/40nm/16nm / 20nm le VO2 est dopé fluor Les verres sont ensuite montés en double vitrage, couche en position 2 (verres 2 mm, lame gaz 12 mm). Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 Tl (froid/chaud) 32,4/28,8 26,3/14,6 21,6/11,4 Rl (froid/chaud) 22/25 31/46 22/38 T énergétique (froid/chaud) 22/15 13/8 10,6/6,5 Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrage thermochrome de type inorganique Cas de l’oxyde de vanadium 5 : On voit ainsi la multitude de combinaisons possibles avec la technologie « multicouches » associant les couches thermochromes et les couches à rôles essentiellement optiques. Un dernier exemple : Verre /TiO2/VO2 /SnO2 130nm/ 60nm/ 50nm La Tl à l'état froid et de 53,4 %, et à l'état chaud 50,9 %, les couches de diélectrique entourant la couche de VO2 permettent un gain de Tl de presque 20 % par rapport aux exemples précédents. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les vitrages photochromes Depuis la première observation du phénomène en 1876 de très nombreux composés photochromes ont été découverts et étudiés. Ces composés photochromes peuvent se trouver sous formes organiques ou inorganiques dans l’état cristallin ou vitreux. Les composés organiques présentent un nombre de cycle de noircissement/blanchiment plus ou moins limité d’où, pour les applications en vitrage, l’utilisation de matériaux photochromes minéraux. Citons les halogénures alcalins dopés par des terres rares, les aluminophosphates de baryum incluant des microcristaux de thalium … et les halogénures d’argent et de cuivre. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres photochromes Technique inorganique : Sous l'action d'une radiation électromagnétique (par exemple lumière naturelle, visible ou UV) il y a changement réversible du spectre d'absorption du vitrage, passage d'un état non ou peu coloré à un état fortement coloré. Le plus connu de ces verres est celui à base d'halogénures d'argent, ayant donné lieu à des développements industriels (la composition est fondue de manière traditionnelle, on y a introduit les sels d'argent et les halogénures, puis après mise en forme d'objets ou de vitrage, on effectue sur ceux-ci un traitement thermique à environ 600° pour provoquer la cristallisation des halogénures d'argent, ceux-ci étant dopés). Sous l'action d'une radiation lumineuse, des électrons piégés dans le verre, attire les ions d'argent interstitiels pour former des atomes d'argent (c'est le noircissement). La disparition de la radiation lumineuse provoque un retour en arrière (éclaircissement). Le coût de ces verres en limite l'utilisation. Mais, pas de contrôle personnel possible du noircissement. Avantage  possibilité de faire de très grands vitrages … chers !!! Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres photochromes Technique « organique » : Une feuille organique, multicouche, où sont empilées deux, ou davantage de couches photochromiques est placée entre 2 vitrages (double ou triple vitrages). En essai en Chine actuellement … indiqué « de bonne durabilité » … durée de vie encore inconnue. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Vitrages à cristaux liquides. Un film, de type EVA (Ethylène Vinyl Acétate) le plus souvent, et rendu actif en y intégrant de fines gouttelettes de cristaux liquides. Ce film est déposé sur le verre (entre deux verres généralement) ceux-ci ayant auparavant reçu des couches minces de type ITO (conductrice, servant d'électrodes). Au repos, sans tension électrique, le vitrage et translucide (laiteux) car les axes optiques des gouttelettes sont disposés au hasard. Il ne laisse pas passer le regard, mais diffuse la lumière. Si une tension électrique est appliquée, le vitrage devient transparent. La réversibilité est absolue (dans son état translucide, le vitrage constitue un parfait écran de projection). Plusieurs produits de ce type sont commercialisés : Saint-Gobain avec son Privalite, Ipaview CF d’Interpane, Dreamglass de Parmentier… Remarque : l'utilisation de courant est indispensable pour avoir la transparence… A défaut, le personnel n'a plus de « vue » sur l'extérieur. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres électrochromes Historique : Des composés électrochromes sont connus depuis le 18ème siècle (plus particulièrement le Bleu de Prusse). Au 19ème siècle, Berzélius fait des travaux sur le changement de couleur de l’oxyde de tungstène et Wökler avec du sodium métallique. Dans les années 1960, Philips recherche les possibilités d’exploitation des matériaux électrochromes puis dans les années 1970/1990 tous les grands verriers démarrent la RD. Dans les années 2000 applications en vitrage automobile (en toit principalement), puis développements pour les vitrages. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres électrochromes On dépose une couche « électrochrome » entre deux feuilles de verre. Si le vitrage est initialement transparent, l'application d'un courant électrique pendant un certain temps (quelques secondes à une minute) rend le vitrage plus sombre. Si le courant est supprimé le vitrage reste sombre. Pour le rendre à nouveau transparent, il suffit d'appliquer un courant électrique en sens inverse (+ ou -). L’utilisation du courant n’est que ponctuelle. L'effet est donc rémanent, contrairement aux vitrages à cristaux liquides, photochromes ou thermochromes. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres électrochromes Trois technologies sont en concurrence : Organique : on utilise un gel comme milieu électro actif (exemple : les rétroviseurs qui se teintent automatiquement). Cela est d'application plus difficile sur des vitrages de grande taille ; en durabilité, les performances vont… de moyennes à faibles. Polymère : on utilise un électrolyte polymère entre les deux feuilles de verre (ce polymère est plus stable que le gel). Inorganique : ces dépôts inorganiques sont étudiés depuis une trentaine d'années. C'est l'oxyde de tungstène WO3 qui est le plus utilisé (déposé à présent par pulvérisation cathodique avec un magnétron). Ces vitrages électro chromes inorganiques sont composés de 5 à 7 couches le plus souvent. Au cours de la réaction d'oxydoréduction, la valence de l'élément choisi va être modifiée, provoquant ainsi le changement de couleur, lequel est réversible. En RD actuellement, on étudie les possibilités avec les ions Li+ associé au Nickel. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres électrochromes Contraintes avec la technique électrochrome. Il faut imposer un nombre minimal de cylages à différentes températures (250000, ). Répondre aux contraintes extérieures de l'habitat : * tenue en températures (de négative à très chaude), * résister aux rayonnements UV, * résister aux atmosphères : humide, sèche, corrosive… Répondre aux besoins : * en lumière naturelle, * au facteur solaire, * à l'isolation thermique, * au besoin de confort du personnel et à l'économie d'énergie, * concernant les coûts (achat vitrage très cher actuellement), * maintenance (remplacement en cas de casse… l'homogénéité de teinte en façade ?). Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres électrochromes Autre technologie ( développée par une start-up à Berkeley) Dépôt électrochrome qui, à l'état opaque, réfléchit la lumière au lieu de l'absorber comme avec les couches de WO3 (le dépôt est constitué d'un film de nickel/magnésium). Ce miroir réfléchit la lumière visible et l'infrarouge. Lorsque ce dépôt est mis sous tension, il est transparent. Avantages : procédé moins coûteux, moins de couches, dépôt plus mince. À notre connaissance, ce produit n'est pas encore commercialisé, à vérifier. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les verres électrochromes Technologie développée par une autre start-up à Berkeley. Le dépôt électrochrome actif déposé permet trois modes d'utilisation selon la tension appliquée : 100 % transparent à la lumière visible + IR, 100 % transparent à la lumière visible mais blocage des IR, blocage de la lumière visible et des IR. Avantages : une fois que le verre est commuté dans un mode d'utilisation, il n'est plus nécessaire de faire passer le courant et le tout est réversible. Le dépôt actif est à base d’indium, d'oxyde d'étain, d'oxyde de niobium. Cette technologie, baptisé héliotrope est d'un coût de production, à priori, beaucoup plus faible que les vitrages électrochromes classiques. Nous ne savons pas où en est l'industrialisation actuellement. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les vitrages gazochromes En face intérieure d'un vitrage isolant, on dépose une couche à base de WO3. Cette couche exposée à un mélange argon + oxygène (très petit pourcentage) laisse le vitrage transparent. Si à l'aide d'une petite unité « gaz » (pompe + réservoir), nécessaire pour environ 10 m² de vitrage, on change le gaz et que l'on expose ensuite la couche à un mélange d'argon + hydrogène ( 1 à 3 %) le vitrage devient teinté. À noter que le temps du passage (réversible) de clair à coloré et de 2 à 10mm. Interpane a développé et commercialisé des vitrages sur ce principe. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les vitrages S P D Un film mince revêtu de nanoparticules est mis en suspension dans un liquide et placé entre deux feuilles de verre, ou attaché à une couche déposée sur l’un des verres. Lorsqu’aucune tension n’est appliquée, les particules sont organisées de manière aléatoire bloquant ainsi le passage de la lumière. Lorsqu’une tension est appliquée, elles s’alignent laissant passer la lumière. En faisant varier la tension, on oriente les particules en réglant ainsi la teinte du vitrage et la quantité de lumière transmise. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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Les vitrages S P D Licences accordées par RESEACH FRONTIERS INC. à de nombreux opérateurs. Position claire : Tl = 65 % TE = 57 % Position foncée : TL = 0,1 % TE = 5 % Utilisations: Automobiles luxes ( Mercédes …) , Hublots avions ( Falcons, Boeing 787…), Marine ( vitrages, hublots …), Trains ( au Japon), Architecture ( US, Asie, Allemagne, G.B. …), Protection des objets d’art et ceux sensibles à la lumière ( papiers, tissus …), Lunetterie … Tension électrique nécessaire pour garder la position claire : 1,8 mA / Ft² Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :

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En conclusion : Les vitrages opacifiants permettent de répondre aux objectifs actuels d’économies d’énergies, mais sont très chers ( ils restent principalement dans des applications de prestige, de mode …). Leur commercialisation est, à présent, toutefois effective avec certains produits thermochromes , électrochromes, et SPD. Parmi les précautions à prendre, il y a le risque de casse par choc thermique d’où utilisation de verre durci ou trempé et finition parfaite des bords (JPP recommandé) et le bon choix technique en fonction de la durabilité souhaitée. De nouveaux produits seront certainement commercialisés très rapidement. Jean-Pierre HOUDAER Tél : Courriel :