Fibres de Wollastonite

La wollastonite est connue depuis 200 ans mais n’est exploitée commercialement que depuis les années 1930. La production commerciale n’a cependant atteint un niveau significatif que dans les années 1950 [2].

Dans les gisements exploités, le minerai renferme généralement entre 18 et 97 % de wollastonite.

La wollastonite peut être extraite à ciel ouvert ou sous terre. Après extraction, le minerai subit plusieurs étapes de traitement  fonction du gisement exploité, des minéraux associés à la wollastonite et de la qualité recherchée pour le produit fini (à savoir le degré d’allongement ou rapport longueur/largeur) : concassage, broyage, criblage, étapes d’enrichissement effectuées soit par voie sèche ou soit par voie humide (flottation, filtration, séparations magnétiques et électrostatiques, classification pneumatique) [1, 2, 3].

Certains produits sont traités pour modifier leurs propriétés de surface et optimiser leur performance [1, 3].

La production mondiale de minerai contenant de la wollastonite était estimée pour l’année 2014 entre 610 000 et 640 000 tonnes tandis que les ventes de produits à base de wollastonite avoisinaient probablement les 500 000 à 540 000 tonnes. La Chine était le premier producteur mondial de wollastonite, sa production ayant été estimée entre 270 000 et 320 000 tonnes en 2014. L’Inde se classait au deuxième rang mondial avec une production de wollastonite raffinée estimée à 180 000 tonnes. Suivaient les Etats-Unis (données confidentielles) puis le Mexique avec 54 600 tonnes. De petites quantités (10 000 tonnes ou moins) étaient aussi produites par la Finlande, l’Espagne, l’Afrique du Sud, la Namibie… Le Canada envisage également la construction d’une usine de traitement de la wollastonite d’une capacité de 15 000 tonnes/an [4].

La wollastonite peut également être produite artificiellement notamment par mélange d’oxyde de calcium avec le quartz, le carbonate de calcium et le dihydroxyde de calcium [1]. Des wollastonites à des taux de fer différents sont synthétisées.  Ce marché reste néanmoins minoritaire par rapport à l’exploitation du minerai [3].

Les utilisations de la wollastonite peuvent être classées dans deux catégories principales fonction du degré d’allongement des fibres. Les fibres possédant un rapport longueur/largeur élevé (10/1 à 20/1 – qualité « aciculaire ») sont exploitées pour leur caractère fibreux tandis que l’utilisation des fibres de degré d’allongement faible (rapport longueur/largeur de 3/1 à 5/1 – qualité « poudre ») repose sur la composition chimique du minéral [2].

• Les fibres à degré d’allongement élevé sont utilisées :
  • dans les plastiques et caoutchouc comme charge fonctionnelle ou de renfort, plus précisément dans les résines thermodurcissables et thermoplastiques,
  • comme substitut de l’amiante : dans les panneaux d’isolation et de construction, les panneaux muraux résistants au feu, les panneaux d’isolation haute température pour applications non réfractaires, les matériaux isolants préformés, les bardages, les produits en fibrociment, les produits de calfeutrage, les produits de scellement, les enduits, les tuiles, les ardoises, les produits de friction (garnitures de frein, pistons de frein), les joints…,
  • dans les peintures et revêtements : comme charge de renfort dans les peintures à l’huile et aqueuses destinées à des applications extérieures ainsi que dans les peintures de marquage routier et peintures au latex, comme agent matant, comme agent dispersant ou comme charge dans d’autres revêtements.
• Les fibres à degré d’allongement plus faible sont, quant à elles, employées :
  • dans les céramiques : comme charge ou agent de fluxage dans les carrelages de sols et carrelages muraux, dans les glaçures, dans les équipements sanitaires, dans les céramiques poreuses,
  • dans la métallurgie : dans les formulations de poudres pour le soudage, comme fondant, comme conditionneur de laitier plus particulièrement dans les procédés de coulée continue, comme agent de protection de la surface du métal fondu dans la coulée continue de l’acier, comme additif dans les poudres de lingotière en coulée continue, dans les poudres de panier de coulée, dans la fabrication de câbles d’acier pour pneumatiques, d’acier étiré à froid et d’acier d’usinage [1, 2, 3, 4].

Une partie de la wollastonite subit un traitement de surface (avec des stéarates, zircoaluminates, titanates et organosilanes tels que des amino- et époxysilanes) pour optimiser ses propriétés pour des applications à forte valeur ajoutée [1].

Parmi les usages plus ponctuels ou émergents, on peut citer les utilisations suivantes[2, 3] :

• comme additif dans l’industrie du verre et de la fibre de verre en remplacement du calcaire et de la silice pour réduire la consommation d'énergie,
• dans les abrasifs,
• dans les électrodes de soudage,
• dans le papier et les matériaux routiers comme charge,

• dans le milieu médical, comme ingrédient bioactif dans le ciment osseux, les implants et greffes, dans le remplacement de joints en céramique, dans la reconstruction dentaire et comme prothèse vertébrale,
• dans l'agriculture, comme source de silicium pour éradiquer des maladies du riz, pour augmenter la durabilité biologique de certains bois (sous forme de nanofibres) et comme produit d’amendement des sols,
• dans la gestion des pollutions, comme agent permettant de retirer le phosphore soluble présent dans des eaux usées, pour absorber les métaux lourds dans des eaux polluées, pour aider à la sauvegarde d’une forêt endommagée par une pluie acide,
• dans la chimie pour son potentiel de séquestration minérale du dioxyde de carbone dans un réacteur de carbonatation.

La wollastonite synthétique est, quant à elle, utilisée selon sa teneur en fer dans des applications céramiques ou métallurgiques, comme base de calcium hydrosoluble dans les glaçures [2].

Selon la qualité, les fibres de wollastonite peuvent avoir un diamètre variant de 0,1 à 150 µm et une longueur comprise entre 0,3 à 650 µm.

Par exemple, les produits couramment mis sur le marché par deux sociétés américaines présentent les caractéristiques suivantes [1] :

• pour la qualité « poudre », les fibres présentent une longueur variant de 9,6 à 24,5 µm et un diamètre compris entre 2,5 et 6,7 µm.
• pour la qualité « aciculaire », les fibres ont une longueur variant de 10 à 90 µm et un diamètre compris entre 2,5 et 6,2 µm (pour des degrés d’allongement de 6/1 à 19/1).

Les principales propriétés physiques des fibres de wollastonite recherchées sont la blancheur, la brillance (G.E., entre 80 et 95) et un degré d’allongement élevé. Ces fibres présentent également une excellente dureté, une bonne stabilité thermique et sont considérées comme de bons isolants thermiques et acoustiques (Température de transformation en parawollastonite : 1120 +/- 10 °C ; perte au feu (LOI) : 0,5 - 2 %). Elles améliorent, de surcroît, la résistance au rayonnement ultra-violet et à l’hydrolyse. Elles possèdent aussi de bonnes propriétés de renforcement mécanique [1, 2, 3, 4].

Les fibres de wollastonite possèdent une bonne inertie chimique. Elles peuvent, cependant, être décomposées par les acides minéraux et particulièrement par l’acide chlorhydrique.

Elles présentent une faible solubilité dans l’eau de l’ordre de 0,095 g/l à 20 °C. Le pH d’une suspension aqueuse à 10 % de wollastonite est de 9,9.

Les fibres de wollastonite doivent être conditionnées de manière hermétique dans des emballages doubles en matière plastique ou dans des sacs en papier maintenus intacts et fermés afin de réduire les risques de dégagement de poussières.