Brevet FR2481707A1 — publié le 19811106

Nouveau matériau sous forme de feuille comportant des fibres de renforcement et un matériau thermoplastique en poudre, et son procédé de préparation. La présente invention concerne un nouveau matériau en feuille comportant des fibres de renforce- ment et un matériau thermoplastique en poudre, et son procédé de préparation. On a déjà décrit des objets mis en forme par les techniques classiques de transformation des matières plastiques et contenant un matériau thermoplastique ren- forcé à l'aide de fibres de renforcement. On sait qu'une des difficultés pour préparer ces objets est d'obtenir un mélange aussi homogène que possible, dans la totalité du volume de l'objet, de ce matériau thermoplastique (qui se présente le plus souvent sous forme d'une poudre) et de ces fibres de renforcement et ceci sans altérer les caractéristiques renforçantes desdites fibres. Cette opération est d'autant plus difficile que la longueur de la fibre dépasse 3 mm. L'invention vise à résoudre une telle difficul- té en proposant au technicien un nouveau matériau en feuilles comportant des fibres de renforcement et un matériau thermoplastique en poudre, lesdites feuilles étant, après empilage éventuel avec d'autres feuilles analogues, -transformables, par thermoformage de préférence, en un objet fini présentant de bonnes propriétés. Ce matériau en feuille est obtenu au moyen d'une technique classique dans le domaine papetier, c'est-à-dire une technique consistant à floculer de façon convenable une suspension aqueuse contenant les divers ingrédients du mélange, puis à essorer ladite suspension, de façon à réaliser une feuille que l'on soumettra à un séchage convenable. 248 1707 On sait que les techniques papetières, telles que décrites succinctement ci-dessus, sont essentiellement applicables avec des fibres cellulosiques dont la structure facilite la cohérence de la feuille obtenue. Or, dans l'invention, les fibres de renforcement ne sont pas des fibres cellulosiques, ont des structures diffé- rentes de la structure des fibres cellulosiques et, malgré cela, les feuilles obtenues montrent une cohérence suffi- sante pour être produites par des machirnes papetières et Dar un processus papetier classique et être maniDulables Dar l'utilisateur. Les fibres de renforcement utilisables sont des fibres minérales (telles que les fibres de verre, de carbone, de céramique, de bore), les fibres métalliques ou certaines fibres synthétiques organiques à haut point de fusion (polyamides aromatiques, polyesters et autres). Les fibres utilisées peuvent avoir des longueurs jusque vers 30 mm, mais il est préférables d'utiliser des fibres plus courtes de longueur inférieure à 15 mm. On utilisera, par rapport au matériau final en feuilles une proportion de fibres comprise entre 15 et 95 % en poids (par rapport au mélange fibres - matériau thermoplastique). Les fibres de verre constituent des fibres de renforcement privil égi ées. Le matériau thermoplastique utilisé peut être une polyoléfine (polyéthylène, polypropylène), du polychlo- rure de vinyle, du polystyrène, des polyamides ou des polyesters. Ce matériau doit être utilisé sous forme d'une poudre dont tus les grains ont des dimensions moyennes inférieures à 500 microns et, de préférence, inférieure à 80 microns. On emploiera de 85 à 5% en poids de matériau thermoplastique (par rapport au mélange fibres-matériau thermoplastique). Le polypropylène parait être un maté- riau thermoplastique spécialement intéressant. Le choix des fibres de renforcement et du matériau thermoplastique sera tel qu'il y ait au moins environ 50 C entre les températures de ramollissement (ou de fusion) des matériaux constituant la feuille. Il convient en effet que, lors de la transformation de ladite feuille (ou d'un empilage de feuilles), transformation qui impliquera une fusion du matériau thermoplastique, les fibres conservent leur structure et, par conséquent, leur pouvoir de renforcement. On pourra, si les propriétés du matériau final l'exigent, utiliser un mélange de plusieurs maté iaux thermoplastiques en poudre. Des quantités insuffisantes de fibres (moins de 15% en poids) ne permettent pas l'obtention de produits finaux ayant les propriétés mécaniques souhaitées alors que des quantités trop importantes de poudrede matériau thermoplastique entrainent des difficultés dans la floculation de cette poudre et sa rétention dans le matériau en feuille. Les matériaux en feuille selon l'invention comporteront en outre de 2 à 20 %O en poids, par rapport au mélange de base (dans ce qui suit on appellera "mélange de base" le mélange des fibres de renforcement et du matériau plastique), de "pâtes" de polyoléfine. Par définition on appelle "pâtes de polyoléfines" des fibrilles, obtenues par exemple par précipitation d'une polyoléfine ou par polymérisation de l'oléfine en présence de forces de scission. Ces fibrilles ont une structure connue et présentent notamment une surface spécifique élevée (supérieure à 1 mètre carré par gramme) qui facili e la rétention des poudres. Les pates de polyoléfines sont-commercialisées sous forme de feuilles feutrées contenant une certaine proportion d'eau, le poids de ces matériaux est ici considéré pour des fibres sèches. Les feuilles selon l'invention comporteront en outre un liant utilisé à raison de 1 à 30 parties en poids par rapport au poids du mélange de base. Le liant peut être un liant d'origine naturelle ou synthétique. Ce liant assure la liaison des consti- tuants de la feuille thermoplastique entre eux et peut renforcer, le cas échéant, les propriétés physiques de la feuille. Parmi les liants qui conviennent, on peut notamment-citer ceux du tableau I ci-aDrès. Les liants préférés sont les latex (acryliques, styrène butadiène) et l'amidon. Les feuilles selon l'invention comporteront également au moins un floeulant (0,2 à 10 parties en poids pour 100 parties en poids du mélange de base). Parmi les floculants qui conviennent, on peut notamment mentionner les sels métalliques, tels que notamment les sels d'aluminium, de fer (II), de fer(III), de zinc -et de chrome, tels que les halogénu- res, sulfates et phosphates et les autres substances indiquées dans le tableau II ci-après. Le floculant préféré selon l'invention est le polychlorure d'alumi- nium qui est une substance également connue sous le nom d'hydroxychlorure d'aluminium, qui a pour formule générale (OH)yAlxClxyx et qui est notamment commer- cialisée par la société PECHINEY UGINE KUHLMANN sous le nom de marque "WAC". Les feuilles selon l'invention pourront également contenir, si cela apparait so uhaitable, d'autres matériaux tels que des charges minérales, des antioxy- dants, des hydrofugeants, des dispersants etc... Il est clair, cependant, que ces divers additifs ne devront en aucune façon influer défavorablement sur les propriétés des produits finis. 248 1 707 Les dispersarts sont utilisés pour favoriser la dispersion des fibres dans l'eau; parmi les dipersants utilisables les produits les plus intéressants sont les dispersants catnioniques qui présentent l'avantage de jouer, dans une certaine manière, le rôle d'un premier agent floculant; comme dispersant cationique particuliè- rement intéressant on peut citer les produits de conden- sation d'acides gras. Le procédé pour la réalisation des feuilles selon l'invention est caractérisé en ce que l'on effectue un mélange des divers ingrédients qui constituent les feuilles et que l'on ajoute audit mélange au moins une partie de l'agent floeulant. Cette addition d'agent floculant comme ultime étape du procédé est importante de façon à réaliser une bonne répartition des divers constituants dans le produit final. Ce floculant peut être introduit dans le mélange en une seule fraction ou en deux fractions; dans ce dernier cas la première fraction du floculant est ajoutéeau mélange avant l'adjonction, à ce mélange, du liant. Lorsque le floculant est introduit en deux fractions, la première fraction du floculant, qui est introduite avant le liant, et le liant assurent une première agglomération des constituants. La deuxième fraction du floculant a pour objet de renforcer la cohé- sion des constituants et amliorer ainsi la rétention sur la machine à papier et la résistance des flocs. Bien entendu, on peut utiliser soit le même agent floeu- lant avant et après le liant, soit encore des agents floculants différents, soit enfin des mélanges d'agents floculants. Pour la réalisation du mélange on effectuera tout d'abord un mélange relativement concentré dans de l'eau en ajoutant successivement.'ag'ent disrersant puis les fibres de renforcement4puis la pâte de poiyolffine, puis le matériau thermoplastique en poudre,.Duis éventuellement une partie de l'agent floculant, puis le liant, puis le reste de l'agent floculant. On effectuera ensuite une dilution de ce mélange relativement concentré jusqu'à obtenir une sus- pension aqueuse contenant environO,Ol à 2 % de produits solides. Lorsqu'on utilise, comme fibres de renforce- ment, des fibres de verre la dilution prévue ci-dessus entraine parfois une réagglomération des fibres entre elles; pour éviter ce phénomène on pourra avantageuse- ment acidifier le milieu (par exemple par adjonction d'acide sulfurique) jusqu'à obtention d'un pH de l'ordre de 2 à 4. Lorsque le mélange convenable a été obtenu, ce mélange est traité sur les machines connues de fabri- cation du papier (essorage, séchage...) Les exemples non limitatifs ciaprès illustrent 1 ' invention. Exemple 1 Dans un litre d'eau contenant 0,2 % d'un agent dispersant cationique à base d'acide gras (Cartaspers DS1 de Sandoz) qui joue également le r6le d'agent floeulant de la poudre, on ajoute 40 g de fibres de verre, ayant une longueur moyenne de 4,5 mm, sous agitation forte. On introduit ensuite sous agitation modérée, 10 g de pàtes synthétiques de polyéthylène. Après dispersion convena- ble, on ajoute 60 g de poudre de polypropylène de granulo- métrie moyenne 50. On ajoute un agent antimousse, puis g sec de liant qui est un polymère de type acrylique référence L9 dans le tableau I ci-après. Toujours sous agitation, on ajoute 2 g sec de sulfate d'alumine en tant que 2ème agent floculant. Après dilution et ajout d'acide sulfurique pour un pH de 2,5, le mélange est ensuite admis sur une bile, essoré puis séché selon la technique classique du papier; la seule précaution à prendre est d'utiliser de faibles forces de traction sur la feuille en cours de séchage. On obtient ainsi une feuille de 500 g/m2 qui comporte une cohésion suffi- sante pour être manipulée, stockée, transportée et dans laquelle ont été parfaitement retenus les divers composants de la formulation. Pour réaliser à partir de cette feuille un produit industriel final, on peut, par exemple, superposer une dizaine de feuilles de ce type et chauffer sous une presse jusqu'à une température de l'ordre de 180 à 200 C et sous des pressions de 40 à 100 kg/cm2 pour un cycle de moins de 30 s. Exemple 2 Cet exemple se distingue du précédent en ce que les fibres de verre ont une longueur de 12 mm, et sont pour cette raison dispersées à une dilution poussée à 10 g/l, et en ce qu'on rajoute 0,5 % de WAC dans le mélange juste avant la formation de la feuille de manière à maintenir un haut degré de rétention. Exemple 3 Il se distingue de l'exemple 1 en ce que les fibres de verre et la poudre de polypropylène sont mélan- gées dans les quantités respectives de 20 get 80 g par litre d'eau, et en ce que l'on ajoute 0,5 % de WAC dans le mélange juste avant la formation de la feuille de manière à maintenir un haut degré de rétention. 248 1707 T A B L EA U i Liants Douvant QLre uLilisés. Ref. |Type de liant L 1 Fécule native L 2 Amidon natif notamment amidon de mais natif l 3 Ester phosphorique d'amidon (type Retamyl AP ou Retabond AP) L 4 Amidon carboxymdthlylé L 5 Fécule oxydée L 6 Fécule enzymée (enzyme: ri-amylase, pour l'obtention d'une répartition des unités flucose variables entre 50 et 3000) (pour le polymère linéaire amylose). L 7 Amidon hydroxyméthylé L 8 |Carboxymtéthlylcellulose technique (5 a 30% de chlorure de sodium - degré de substitution: 0,7-0,8) L 9 Polymère renfermant 87 à 90 parties en poids de motif acrylate d'éthyle, 1 à 8 parties en poids de motifs acrylo- nitrile, 1 à 6 parties en poids de motif N-méthylolacryl- amide et 1 à 6 parties en poids de motif acide acrylique. Dispersion aqueuse à 40-55% L 1.0 Polymère renfermant 60;à 75 parties en poids de motif acryaLe dI'éLlhyle, 5 A 15 parties en poids de motif acrylo- nitrile,'10 à 20 parties en poids de motif acrylate de butyle, 1 à 6 parties en poids de motif N-méthylolacryl-. amide. Dispersion aqueuse à 40-55% L 11 Polymère renfermant 60; 65 parties en poids de motif butadiEène, 35 a 40 parties en poids de motif acrylonitrile et 1.à 7 parties en poids de motif acide méthacrylique. Dispers [on aqueuse à 40-55% L 12 P'olymère renfermant 38 à 50 parties en poids de motif styrène, 47 à 59 parties en poids dce motif butadiène et I a 6 parties en poids de motif méthylacrylamide. Dispersion aqueuse à 40-55% 1. 13 Polymère renfermant 53 à 65 parties en poids de motif styrène, 32 à 44 parties en poids de motif butadiène, et 1 à 6 parties en poids de motif méthylacrylamide. Dispersion aqueuse; 40-557 248 170 7 T A i L E A U I I Agents floculants Ref. 'Type de floculants P 1 ijSulfate d'aluminium P 2 Polychlorure d'aluminium (hydroxychlorure d'aluminium) P 3 Aluminate de sodium et de calcium P 4 Mélange d'acide polyacrylique et de polyacrylamide en solution à 5-30% (poids/volume) P 5 Polyétllylèneimine en solution à 2-50% (poids/volume) P 6 Copolymère d'acry].amiide et de f5-mélthacrylyloxyèthyltriméthyl- ar.uuonium mé thiylsu.lfate P 7 JRésine polyamine-épichlorhydrine et de diamine-propylméthyl- amine en solution à 2-50% P 8 Résine polyamide-épichlorhydrine fabriquée à partir d'épi- chlorhydrine, d'acide adipique, de caprolactame, de diéthy- lènetriamine et/ou d'éthylènediamine, en solution a 2-50% P 9 Résine polyamide - polyamine-épichlorhydrine fabriquée à partir d'épichlorhydrine, dc'ester diméthyl ique d'acide adipique Ct (le di1thyl&netriami.ne, en solution à 2-50% P 10 Résine polyamide-dpichlorhydrine fabriqule à partir d'épi- chlrohlydrine, de diéthylènetriamine, d'acide adipique et d'éthylèIneimine. P 11 Résine polyamide-épichlorhydrine fabriquée à mnrtir d'acide adipique, de diéthylènetriamine et d'un mélange d'épichlo- rhydrine et de diméthylamine en solution à 2-50% P 12 Résine polyamidepolyamince cationique fabriquée à partir de triéthylèlnetriamine P 13 Produits (de condensation d'acides sulfoniques aromatiques avec le formaldéhyde P 14 Acétate d'aluminium P 15 Formiate d'aluminium P 16 Mélange d'acétate, sulfate et formiate d'aluminium p 17 Chlorure d'aluminium (AICi) P 18 Amidon cationique Note; Lorsqu'il est question de solutions, il s'agit de solutions aqueuses. -REVENDICATIONS i. Matériau en feuille ne comportant pas de fibres cellulosiques caractérisé en ce qu'il est constitué - d'un mélange de base comportant 15 à 95 % en poids de fibres de renforcement, 85 à 5 % en poids d'une poudre d'au moins un matériau -hermoplastique, et, par rapport à ce mélange de base, 2 à 20 % en poids de pât de polyoléfine, I à 30 % en poids d'ur.n liant, 0,2 à 10 % en poids d'au moins un floculant et éventuellement d'un dispersant. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de renforcement sont des fibres de verre d'une longueur inférieures environ 15 mm. 3. Matériau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique est sous forme d'une poudre dont les grains ont des dimensions moyennes inférieuresà 500 microns et de préférence infé- rieures à 80 microns. 4. Matériau selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique est du polypropylène. 5. Matériau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pâte de polyoléfine est du polyé- thyl ène. 6. Procédé de préparation d'un matériau en feuille selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on effectue un mélange des divers constituants du mélange et que l'on ajoute audit mélange au moins une partie de l'agent floculant. 7. Procédé selon là revendication 6, caractérisé en ce que le mélange des divers constituants du mélange est réalisé par adjonction successive, dans de l'eau, éventuellement d'un agent dispersant, des fibres de renforcement, de la âte de polyoléfine, du matériau thermoplastique, éventuellement d'une partie de l'agent floculant, le liant, puis le reste de l'agent floculant. 248170 7 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le mélange et la floculation dudit mélange sont réalisés en milieu relativement concentré puis que le mélange est dilué de façon à obtenir une suspension aqueuse contenant 0,OI à 2 % en poids de solide. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au cours de la dilution le mélange est acidifié, de préférence par de l'acide sulfurique, jusqu' à un pH compris entre environ 2 et 4.