Production de fil : des fils anciens aux innovations modernes

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Contexte

Le fil est formé par torsion de plusieurs brins de fibres. Chaque brin est lui-même composé de fibres plus courtes filées en filaments plus longs. Les brins longs et continus peuvent simplement être davantage torsadés ou traités par texturage pour modifier leurs propriétés.

Le degré de torsion appliqué lors du filage détermine le caractère du fil : torsion forte pour la résistance ; torsion modérée pour la douceur et le lustre ; torsion très serrée pour le fil crêpe. Les fils sont aussi classés par leur construction : fils simples, fils retors (deux ou plusieurs fils simples torsadés ensemble), et fils câblés (torsion de deux ou plusieurs fils retors).

En 1995, les États-Unis ont produit près de 8 milliards de livres (3,6 milliards kg) de fil filé, 40 % provenant de Caroline du Nord. Plus de la moitié était du coton, les fils texturés, crêpés ou bouffants représentant environ la moitié du total. Les fils texturés gagnent en volume par traitements physiques, chimiques ou thermiques ; les fils crêpés utilisent des fibres thermoplastiques à forme déformée ; les fils bouffants proviennent de fibres intrinsèquement volumineuses qui ne peuvent être compactées.

Le fil est essentiel à la fabrication textile, alimentant tissage, tricotage et feutrage. En 1995, les États-Unis ont produit 4 milliards de livres (1,8 milliard kg) de fil à tisser, 3 milliards de livres (1,4 milliard kg) de fil à tricoter machine, et 1 milliard de livres (450 millions kg) de fil pour tapis. Le secteur textile emploie plus de 600 000 travailleurs, consomme environ 16 milliards de livres (7 milliards kg) de fibres d'usine par an, et a généré 2,1 milliards $ de bénéfices en 1996. Les exportations représentent plus de 11 % des ventes — approchant 7 milliards $ — tandis l'industrie de l'habillement ajoute un million d'emplois.

Histoire

Les fibres naturelles — coton, lin, soie, laine — sont les piliers de la production textile ancienne. Les plus anciens fragments de fil et tissu connus — faisceaux de fibres de lin et lin à armure toile — datent d'environ 7 000 ans et furent découverts près de Robenhausen, Suisse.

La culture du coton et son usage textile s'étendent sur au moins 7 000 ans. Des traces de tissus de coton apparaissent en Égypte dès 12 000 av. J.-C., et des trouvailles similaires existent au Mexique (3 500 av. J.-C.), Inde (3 000 av. J.-C.), Pérou (2 500 av. J.-C.) et sud-ouest des États-Unis (500 av. J.-C.). Le coton n'acquiert une importance commerciale en Europe qu'après la colonisation du Nouveau Monde. La soie, spécialité chinoise dès 2 600 av. J.-C., reste largement confinée jusqu'au VIe siècle, quand l'Empire byzantin commence l'élevage du ver à soie.

Les fibres synthétiques apparaissent bien plus tard : la rayonne, dérivée de coton ou fibres de bois, est développée en 1891 et produite commercialement en 1911 ; le nylon suit, puis divers polyesters, réduisant la demande mondiale de fibres naturelles et élargissant les applications.

Avant le XIVe siècle, le fil était filé à la main sur un fuseau et un volant — un bâton effilé lesté pour maintenir la rotation. Les fibres étaient tirées d'un paquet cardé attaché à un fuseau. Aux XIIe–XIIIe siècles, le rouet apparaît en Inde (500–1000 ap. J.-C.) puis en Europe, avec une roue actionnée à la main, un ailette pour torsader le fil, et une canette qui l'enroule. Le rouet saxon, introduit environ 150 ans plus tard, utilise une pédale, libérant les deux mains pour le travail de la fibre.

Le XVIIIe siècle voit des percées mécaniques : la navette volante de John Kay (1733), la spinning jenny de Richard Arkwright (1766), et la mule de Samuel Crompton (1776). En 1828, John Thorp invente le cadre à anneaux, encore largement utilisé, impliquant des centaines de broches dans un anneau métallique. Le système open-end file maintenant de nombreuses fibres naturelles, les aspirant par air dans une coupe à rotation rapide avant extrusion.

Matières premières

Le fil est produit à partir d'environ 15 types de fibres, regroupés en naturelles et synthétiques. Les fibres naturelles — d'origine végétale ou animale — prédominent dans le tissage. Le coton, récolté des capsules mûres, reste la fibre la plus vendue en Amérique, surpassant tous les synthétiques combinés. Les fibres végétales comme l'acétate (pâte de bois ou linters de coton) et le lin (chanvre) sont aussi utilisées. Les fibres animales incluent la laine (mouton), le mohair (chèvres angora) et la soie, extrudée par le ver à soie en brins continus.

Les fibres synthétiques sont créées par extrusion d'une solution polymère à travers des filières et durcissement chimique du filament. Exemples : acrylique, nylon, polyester, polyoléfine, rayonne, élasthanne, triacétate. Beaucoup imitent les propriétés des fibres naturelles en évitant le rétrécissement ; d'autres offrent des caractéristiques spécialisées — l'élasthanne s'étire au-delà de 500 % sans rompre.

Les fibres arrivent en balles, ouvertes manuellement ou mécaniquement. L'ouvreuse sépare et nettoie les fibres, puis le cardage les aligne en une nappe légèrement parallèle. Un dispositif en entonnoir transforme cette nappe en brin cordiforme. Des rouleaux allongent ce brin — maintenant appelé ruban — en un fil uniforme recevant une légère torsion avant d'être alimenté en grosses canettes.

Processus de fabrication

Trois méthodes principales de filage existent : coton, peigné (longues fibres), et laine. Les fibres synthétiques en staple peuvent être filées selon l'une de ces méthodes. Comme la méthode coton génère le plus grand volume, elle est détaillée ci-dessous.

Préparation des fibres

• Les fibres sont expédiées en balles et ouvertes à la main ou machine. Les fibres naturelles peuvent nécessiter un nettoyage ; les fibres synthétiques ne requièrent que séparation. L'ouvreuse détend, sépare et nettoie les fibres. Le mélange de différents staples peut être nécessaire pour des applications spécifiques, effectué lors de la formation du flan, du cardage ou de l'étirage. Les quantités sont soigneusement dosées pour maintenir des proportions constantes.

Cardage

• La carde, équipée de fines aiguilles, sépare les fibres et les aligne en une nappe lâche et parallèle. La nappe passe dans un dispositif en entonnoir pour former un brin cordiforme. Le mélange peut se faire en assemblant des flans de fibres différentes.

Peignage

• Pour un fil plus lisse et fin, les fibres subissent un parallélisme accru. Un dispositif en peigne arrange les fibres en parallèle, laissant les fibres courtes tomber hors du brin.

Étirage

• Après cardage ou peignage, la masse de fibres est un ruban. Plusieurs rubans peuvent être combinés avant cette étape. Des rouleaux à vitesses variables allongent le ruban en un brin plus uniforme, ajoutant une légère torsion avant alimentation en grosses canettes. Les rubans cardés sont étirés deux fois post-cardage ; les rubans peignés une fois pré-peignage et deux fois post-peignage.

Torsion

• Le ruban entre dans une cadre à mèche, où les brins sont davantage allongés et torsadés, produisant la mèche.

Filage

• La production commerciale utilise principalement le filage à anneaux et le filage open-end. En filage à anneaux, la mèche passe par des rouleaux, s'allonge, et traverse un œillet et un voyageur. Le voyageur tourne autour d'un anneau fixe à 4 000–12 000 tr/min pendant que la broche tourne la canette, torsadant et enroulant le fil en une seule opération. Le filage open-end saute l'étape de mèche : un ruban est aspiré par un flux d'air dans un filateur, amené à un batteur rotatif qui sépare les fibres en un filet mince, transporté par air dans la gorge en V du rotor. La torsion est produite par la rotation du rotor, et de nouvelles fibres entrent continuellement tandis que le fil fini sort au bout de la gorge.

Contrôle qualité

L'automatisation rationalise l'assurance qualité : systèmes électroniques surveillent températures, vitesses, torsions et rendements. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) fournit des méthodes standardisées pour mesurer propriétés comme force de traction, volume et rétrécissement.

Avenir

Les systèmes de filage deviendront de plus en plus automatisés et intégrés, fusionnant cardage et étirage en unités uniques. Les cadences de production devraient augmenter à mesure que les machines accueillent plus de broches, et les équipements pilotés par robots deviendront monnaie courante.

Les producteurs nationaux font face à une rude concurrence des fabricants asiatiques acquérant les dernières technologies. Le coût des matières premières — potentiellement jusqu'à 73 % du coût total de production du fil — reste un défi. Les producteurs américains renforceront probablement leurs alliances avec clients et clients de leurs clients, tandis que des collaborations industrielles comme l'American Textile Partnership — programme de recherche conjoint entre industrie, gouvernement et université — visent à renforcer la compétitivité.

Les réglementations environnementales se durciront, poussant l'industrie à adopter recyclage et prévention de la pollution. Le développement de fil à partir de matériaux de récupération, dont le denim, est déjà en cours. Les fabricants d'équipements continueront d'innover pour respecter les normes de qualité de l'air et de l'eau.

Le génie génétique promet des fibres aux propriétés uniques. Des chercheurs ont créé des plants de coton dont les fibres retiennent mieux la chaleur, incorporant de petites quantités du bioplastique naturel polyhydroxybutyrate. Les futures fibres pourraient présenter une meilleure fixation des colorants et stabilité.

De nouvelles fibres synthétiques combinant les meilleures qualités de deux polymères sont en développement. Certaines résulteront de procédés chimiques ; d'autres pourraient être produites biologiquement via levures, bactéries ou champignons.