Brevet FR2549768A1 — publié le 19850201

Procédé de fabrication de produits composites à partir de matières lignocellulosiques et produits ainsi obtenus. La présente invention concerne la fabrication de produits composites à partir de bagasse, tiges de sorgho, tiges de mais, tiges de tournesol, tiges de lin et autres matières-lignocellulosiques, plus spécialement de plantes non ligneuses, contenant des sucres, hydrates de carbone ou saccharides solubles dans 10 l'eau et d'extraction facile. Plus particulièrement, l'invention concerne de tels produits composites et leur procédé de fabrication, sans addition d'agglutinants o Qu d'agglomérants. On réalise cette fabrication suivant l'invention en utilisant les 15 sucres, hydrates de carbone ou saccharides libres à la fois comme agglomérants et comme agents de renforcement avec application de chaleur. Dans la fabrication classique des panneaux de bagasse, on utilise des liants, notamment des résines 20 synthétiques thermodurcissables telles que,résines de phénol-formaldéhyde et d'urée-formaldéhyde Les résines de phénol-formaldéhyde, plus chères, étant utilisées pour les produits d'extérieur Les résines à liants classiques représentent une grande part du coût total des matières des produits composites Il est donc économiquement intéressant de fabriquer des produits composites sans utiliser de résines liants chères Au surplus, un système de fabrication sans liant simplifie le processus de fabrication et réduit le coût de production en éliminant l'opération et le matériel de mélange On voit donc facilement l'avantage qu'il y a, tant du point de vue économique que du point de vue technologique, à utiliser un procédé sans liant pour la fabrication de produits composites. Dans le procédé classique de fabrication de panneaux de bagasse, l'enlèvement de la moelle et des sucres libres résiduels est essentiel si l'on veut obtenir des panneaux de bonne qualité La moelle, comparativement à la fibre vraie, est une cellule très courte, à parois minces, et contient une plus forte pro15 portion de sucres, mais ne contribue pas à la résistance du produit final Etant duveteuse, elle absorbe une quantité excessive de résine liant, spécialement en cas d'emploi de résine liquide La moelle agit aussi comme une éponge et absorbe de l'eau, gonflant exa20 gérément si elle est incorporée dans les panneaux composites de bagasse En outre, la bagasse contient normalement de 2 à 6 % de sucres résiduels, le chiffre exact dépendant de la variété de la canne, de sa maturité, du procédé de récolte et enfin du rendement de 25 l'installation de broyage Les sucres résiduels de la bagasse, s'ils ne sont pas éliminés au maximum avant le traitement, peuvent poser des problèmes lors de la fabrication des panneaux et lors de leur utilisation ultérieure Ces sucres peuvent ne pas être compatibles 30 chimiquement avec les résines liants classiques utilisées dans la production de panneaux de bagasse et entraver l'agglomération, ce qui confère une mauvaise résistance aux panneaux Si les sucres résiduels ne sont pas modifiés chimiquement ou brûlés pendant le 35 pressage à chaud, ils peuvent se mettre à fermenter quand le panneau de bagasse est exposé à l'humidité, ce qui produit une odeur désagréable et finalement une dégradation chimique et biologique Ce qui abrège la durée de vie utile du panneau de bagasse. Par conséquent, des opérations d'enlèvement de la moelle et des sucres sont nécessaires si l'on veut fabriquer des produits satisfaisants avec de la bagasse Or, ces opérations non seulement augmentent le coût de fabrication, mais aussi compliquent le 10 processus. On a trouvé, par contraste avec le procédé classique, qu'on pouvait produire des produits composites en bagasse tels que panneaux de bâtiment, panneaux pour meubles, bois reconstitué et produits mou15 lés sans utiliser de résine liant ni enlever la moelle et les sucres résiduels Les sucres, hydrates de carbone ou saccharides fournissent non seulement l'agglomérant mais aussi l'élément de renforcement des matières lignocellulosiques, de sorte qu'on ob20 tient un produit composite ayant une bonne résistance mécanique et une excellente stabilité dimensionnelle. Le procédé de l'invention utilise essentiellement une masse fragmentée de bagasse ou d'autres matières lignocellulosiques, particulièrement de plantes 25 non ligneuses, contenant une forte proportion de sucres libres La masse fragmentée est d'abord séchée jusqu'à une faible humidité, de préférence de 2 à 8 % relativement à la matière séchée à l'étuve Cette masse peut être utilisée seule ou mélangée avec d'au30 tres matières lignocellulosiques ou non lignocellulosiques La masse est moulée sans résines liants à une température d'au moins 180 C avec une pression suffisante pour unir la matière en un produit moulé et pendant une durée suffisante pour le développement et 35 le durcissement de l'agglomérant in situ, les sucres résiduels se transformant en une substance polymère insoluble et infusible qui est très résistante à l'eau bouillante et à l'hydrolyse acide. La fragmentation de la matière première est très utile, car les particules, lamelles ou brins facilitent et améliorent l'opération de mise en forme et de moulage En outre, la fragmentation réduit au minimum la présence de matière épidermique provenant de la tige des plantes La mince couche extérieure d'épiderme, qui est normalement en matière cuticulaire, est imperméable à l'eau et à l'agglutinant. Dans un système sans liant, des particules fines donnent d'ordinaire de meilleurs produits, principalement en raison de l'union uniforme et étroite entre elles, qui donne une forte liaison et une texture serrée et unie Au contraire, le procédé classique ne peut pas, économiquement, utiliser des particules fines, car celles-ci demandent une plus grande quantité de résine liant synthétique chère L'invention pré20 fère, pour la fabrication de produits composites, utiliser des particules extrêmement fines quand elles sont mélangées avec d'autres matières lignocellulosiques ne contenant pas de sucres Les particules fines jouent essentiellement le même rôle qu'une résine 25 liant en poudre dans le procédé classique. L'effet avantageux de l'emploi de bagasse et d'autres matières lignocellulosiques, en particulier de plantes non ligneuses, contenant des sucres peut être attribué aux sucres et aux matières solubles 30 dans l'eau qu'ils contiennent, qui fondent pendant l'opération de moulage à chaud et polymérisent et agglomèrent in situ la matière lignocellulosique En outre, les sucres et les matières solubles dans l'eau qui ont pénétré dans la paroi cellulaire des tissus 35 lignocellulosiques se transforment et durcissent eux aussi en une substance rigide réticulée, jouant le rôle d'agent de renforcement dans tout le produit moulé Les produits moulés ont par conséquent une résistance mécanique, une stabilité dimensionnelle et une 5 résistance à l'eau bouillante et à l'hydrolyse acide excellentes, et d'autant meilleures que les matières lignocellulosiques contiennent une plus forte proportion de sucres et de matières solubles dans l'eau. Les réactions chimiques qui entrent en jeu dans le système d'agglomération de l'invention n'ont pas été entièrement élucidées On sait que les acides et les bases décomposent le sucre en composés de bas poids moléculaire, la molécule de sucre perdant de l'eau Si l'on fait réagir un acide faible ou même de 15 l'eau pure avec du sucre à une température de 130 à C et sous pression, il se forme environ 20 % d'hydroxyméthylfurfural Il peut aussi, dans des conditions semblables, se former d'autres produits intermédiaires et dérivés du furfural à partir des hydra20 tes de carbone Ces dérivés sont très réactifs et peuvent en outre polymériser et se transformer pour produire à température élevée des substances réticulées insolubles et infusibles Par conséquent, l'agglomérant durci ainsi produit est très résistant à l'eau 25 bouillante et à l'hydrolyse acide. On pense que la totalité ou certaines des réactions mentionnées ci-dessus peuvent entrer en jeu dans le processus d'agglomération de l'invention On pense en outre que la transformation chimique à tem30 pérature élevée des sucres et des matières solubles dans l'eau est un changement chimique et physique irréversible et est essentiel à l'invention On suppose que la substance agglomérante et de renforcement polymérisée de l'invention contient un produit de 35 déshydratation de l'hydrate de carbone dérivé du furanne constitué essentiellement d'hydroxyméthylfurfural. On a trouvé que les propriétés physiques et mécaniques des panneaux de bagasse produits par le 5 procédé de l'invention étaient comparables ou supérieures à celles des panneaux de bagasse classiques produits avec des résines synthétiques liants chères. La réalisation de l'invention est décrite en 10 détail dans les exemples suivants. EXEMPLE 1 On utilise de la bagasse séchée contenant 3,8 % d'humidité provenant d'une usine de broyage de canne à sucre classique Elle contenait 7,2 % en poids 15 de matières solubles dans l'eau, dont 4,7 % de sucres réducteurs (sous forme de glucose), valeur trouvée par la méthode dite CCA-11 de l'Industrie suédoise de la cellulose Une étude supplémentaire a indiqué que la bagasse contenait, en poids, environ 70 % de fibre 20 vraie et 30 % de moelle. La bagasse a été broyée au broyeur à marteaux pour l'obtention de deux fractions Les particules passant à travers un tamis dit "Tyler 16 mesh" à mailles de 0,991 mm d'ouverture ont été utilisées pour les couches extérieures et le refus a été utilisé comme matière d'âme pour un mat à trois couches Le rapport pondéral couches extérieures/âme sur matière séchée à l'étuve était égal à 1 Ce mat a été pressé à chaud pendant 12 minutes à 235 C avec une pression 30 de 2,8 M Pa pour l'obtention d'un panneau de 500 x 500 x 11,1 mm de densité 0,72 Pendant le pressage à chaud, on a observé qu'une certaine quantité de matière autre que l'humidité s'évaporait sous forme de vapeur d'eau et de diverses fumées La perte de poids du mat 35 a été de 8,4 %, chiffre nettement supérieur à l'humi- dité initiale de 3,8 % du mat La perte supplémentaire de poids indique une réaction chimique importante aux températures élevées L'analyse finale a indiquéo qu'il ne restait dans le panneau terminé que 0,7 % de sucre réducteur C'est beaucoup moins qu'on n'en trouve dans un panneau de bagasse du commerce. Les essais de flexion ont donné une contrainte de rupture à l'état sec de 16,3 M Pa et un module d'élasticité à l'état sec de 3,8 G Pa La contrainte 10 de rupture à l'état humide était de 8,6 M Pa Pour la détermination de la résistance à la flexion à l'état humide, les spécimens ont été immergés deux heures dans l'eau bouillante et essayés à l'état humide froids L'épreuve d'immersion dans l'eau bouillante 15 est requise par la norme canadienne dite 'ICAN 3-0188-2 M 78 " pour les panneaux de particules de peuplier pour usage extérieur Les exigences minimales canadiennes pour la contrainte de rupture à l'état sec et la contrainte de rupture à l'état humide sont 20 respectivement de 14 et 7 M Pa En résumé, le panneau de bagasse a satisfait à toutes les normes canadiennes applicables aux panneaux composites de bois pour usage extérieur. EXEMPLE 2 Des écorces de canne à sucre ont été produites par une machine séparatrice qui sépare la moelle intérieure molle contenant le sucre de la couche extérieure dure ou écorce de la tige de la canne à sucre La bagasse d'écorce contenait 28,6 % de matiè30 res solubles dans l'eau et 17,3 % de sucres réducteurs, les sucres n'en ayant pas été extraits. La bagasse d'écorce a été coupée en brins de 1,5 à 3,2 mm de largeur et d'épaisseur qui contenaient environ 5 % d'humidité Les brins avaient une 35 longueur allant de 15 à 300 mm et ont été orientés dans la même direction pour être moulés en une latte composite de 30 x 50 x 2650 mm ayant une densité de 0,65 Le moulage a été fait à 225 C sous une pression de 3,4 M Pa et a duré 30 minutes Les essais de flexion ont donné une contrainte de rupture de 31,6 M Pa à l'état sec et de 18,6 M Pa à l'état humide. EXEMPLE 3 Des écorces de canne à sucre fraîches produites par une machine séparatrice ont été soumises à une immersion dans l'eau bouillante pendant différentes durées pour l'élimination de sucres Trois lots d'écorce ont été immergés respectivement 5, 10 et minutes et un quatrième lot n'a pas été immergé et a servi de témoin Après le séjour dans l'eau bouil15 lante, les écorces ont été séchées jusqu'à une humidité de 8 % puis broyées au broyeur à marteaux et scindées en deux fractions au tamis dit "Tyler 20 mesh". L'analyse chimique a indiqué que la teneur en sucres résiduels était inversement proportionnelle à l'aug20 mentation de la durée d'immersion Elle a en outre révélé une stricte relation linéaire entre la teneur en matières solubles dans l'eau et la teneur en sucres réducteurs Le tableau 1 suivant indique les résultats du traitement d'immersion dans l'eau bouillante. 25 TABLEAU 1 Teneur en sucres de quatre lots d'écorce soumis à une immersion dans l'eau bouillante 35 Mati Sures Durée Matières Sures Lot d'immersion solubles réducteurs No extraites %* minute-% 1 O 24,4 15,2 2 5 16,0 11,2 3 10 12,3 10,2 4 30 5,4 3,7 *Valeurs rapportées à la fibre d'écorce séchée à l'étuve. Avec chaque lot d'écorce, on a fait six panneaux de 500 x 500 x 11,1 mm ayant une densité d'environ 0,70 en utilisant trois températures de pressage ( 180, 210 et 240 C), deux durées de pressage ( 10 et 20 minutes) et une pression finale de 3,4 M Pa L'humidité de la matière des couches extérieures (refus du tamis) était d'environ 9,0 % et celle de la matière de l'âme (passant à travers le tamis) de 3,0 % Le rapport pondéral couches extérieures/âme du mat sur matière séchée à l'étuve était égal à 1 Les résultats des essais faits sur les 24 panneaux sont donnés dans le tableau 2 ci-dessous. Il ressort de ces résultats que les propriétés des panneaux s'améliorent quand la teneur en su15 cres de l'écorce augmente Une température de pressage plus élevée et une plus longue durée de pressage améliorent également la qualité des panneaux Les panneaux avaient une surface dense et lisse et une couleur brunâtre foncée due principalement aux parti20 cules extrêmement fines et à la forte teneur en sucres et la forte humidité des couches extérieures du mat La stabilité dimensionnelle des panneaux, particulièrement de ceux faits avec une matière à forte teneur en sucres et des conditions de pressage sévè25 res, est excellente comparativement à celle des produits fabriquéeparle procédé classique Cela résulte de l'effet de liaison et de renforcement des sucres polymérisés. TABLEAU 2 Propriétés des panneaux d'écorce de canne à sucre (épaisseur 11,1 mm) Conditions de pressage Module é'lasticité Lot d'écorce déatct Lot d'écorce Température Durée e Dité N flexion (C) ((man) ens(G Pa) 10 0,72 5,01 No 1 Témoin * 9 f 20 0,74 5,12 ( 15,2 % de sucres 210 10 0,72 5,06 0,75 5,20 réducteurs) 240 10 0,74 4,85 0,75 5,24 10 0,73 4,91 No.2 5 minutes d'immersion 20 0,75 5,00 ( 11,2 % de sucres 210 10 0,73 4, 85 réducteurs) 20 O J,76 4,81 240 10 0,75 5,01 0,75 5,05 10 0,70 4,75 No.3 10 minutes d'immersion 20 0,72 4,72 ( 10,2 % de sucres 210 10 0,72 4, 59 réducteurs) 20 0,73 4,76 240 10 0,73 4,66 0,75 4,91 10 0,70 3,03 No.4 30 minutes d'immersion 20 0,72 3,23 ( 3,7 % de sucres 210 10 0,73 3, 00 réducteurs) 20 0,73 2,88 240 10 0,74 3,33 0,75 3,05 o ru vi 0 % TABLEAU 2 (suite 1) Contrainte de rupture en flexion Cohésion Reprise Lot d'écorce interne élastique Etat sec Etat (K Pa> (%) l (M Pa) humide 23,0 5,2 686 23 10,8 No 1 Témoin 22,3 7,7 749 18 9,2 ( 15,2 % de sucres 23,2 10,4 658 13 7,1 réducteurs) 23,3 11,5 714 9 3,8 ,7 11,0 679 il 1,6 23,5 14,5 735 7 0,7 17,3 3,0 644 27 13,3 No.2 5 minutes d'immersion 19,1 5,4 623 21 11,0 ( 11,2 % de sucres 19,0 8, 3 630 19 8,5 réducteurs) 18,6 9,1 679 16 3,1 réducteurs>) 19,5 10,8 630 16 3,8 19,2 11,4 602 15 2,7 18,1 1,9 m 574 29 16,4 No.3 10 minutes d'immersion 17,6 6,2 630 24 14,5 ( 10,2 % de sucres 18,8 7,4 637 19 11,6 réducteurs) 18,8 7,4 637 19 1 1,6 réducteurs) 18,7 8,5 602 18 11,8 18,3 9,2 623 16 9,2 ,0 0,7 266 44 23,5 No.4 30 minutes d'immersion 16,6 2,1 297 38 19,7 ( 3,7 % de sucres 16,4 4, 5 288 36 18,4 réducteurs) 16,8 5,1 302 25 16,2 ,7 6,4 416 29 17,1 16,0 7,3 430 22 15,3 1-' P %; co 2549768 ' EXEMPLE 4 Cet exemple illustre l'emploi de bagasse mélangée à d'autres matières lignocellulosiques pour la fabrication d'un produit composite. De l'écorce de bagasse contenant environ 19 % de sucres réducteurs a été broyée au broyeur à marteaux de façon à passer à travers un tamis dit "Tyler mesh" Les particules obtenues ont été mélangées avec des particules de peuplier de dimension sembla10 ble dans les proportions pondérales de 70:30 Avec le mélange a été fait un mat qui a été pressé à chaud à 235 C avec une pression de 2,8 M Pa pendant 10 minutes pour l'obtention d'un panneau de 500 x 500 x 11,1 mm ayant une densité de 0,72 Les essais de flexion ont 15 donné une contrainte de rupture de 18,2 M Pa à l'état sec et 8,1 M Pa à l'état humide L'essai de cohésion interne (traction perpendiculaire aux faces) a donné une contrainte de rupture de 390 k Pa Tous les résultats d'essais ont été meilleurs que les exigences mini20 males de la norme canadienne dite "CAN 3-0188-2 M 78 ". EXEMPLE 5 Cet exemple montre que des résultats semblables peuvent être obtenus avec d'autres matières lignocellulosiques contenant des sucres. Des tiges de sorgho sucré contenant environ 18 % de sucres réducteurs ont été séchées jusqu'à une humidité de 3 % et broyées au broyeur à marteaux de façon à passer à travers un tamis dit "Tyler 20 mesh". Un panneau de 500 x 500 x 11,1 mm ayant une-densité 30 de 0,75 a été fabriqué avec la matière obtenue dans les conditions de pressage de l'exemple 4 Les essais ont donné comme résultats une contrainte de rupture en flexion de 18,5 M Pa à l'état sec et 9,2 M Pa à l'état humide et une cohésion interne transversale 35 (contrainte de rupture) de 480 k Pa - 2549768 ' Des tiges de mais contenant environ 12 % de matières solubles et environ 7 % de sucres réducteurs ont été séchées jusqu'à une humidité de 3 % et broyées au broyeur à marteaux de façon à passer à travers un tamis dit "Tyler 20 mesh" Un panneau de 500 x 500 x 11,1 mm ayant une densité de 0, 82 a été fabriqué avec la matière obtenue dans les conditions de pressage de l'exemple 4 Les essais ont donné comme résultats une contrainte de rupture en flexion 10 de 14,3 M Pa à l'état sec et 7,4 M Pa à l'état humide et une cohésion interne transversale (contrainte de rupture) de 320 k Pa. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de produits composites à partir de matières lignocellulosiques contenant des sucres, fragmentées, sans addition d'agglutinants, 5 caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes: division de la matière première en particules, fibres, brins et lamelles, séchage de la matière première fragmentée, formation d'un mat avec la matière première séchée et pressage et chauffage de ce mat à une température d'au moins 180 C sous pression et pendant une durée suffisante pour sa consolidation pour l'obtention d'un produit moulé, cependant que l'agglomérant se développe et durcit in situ, les sucres et les matières solubles dans l'eau se transformant et 15 polymérisant en une substance réticulée insoluble et infusible jouant le rôle d'agglomérant et d'agent de renforcement qui résiste à l'eau bouillante et à l'hydrolyse acide. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté20 risé en ce que la matière première est constituée par au moins une matière lignocellulosique du groupe comprenant la bagasse, les tiges de sorgho, les tiges de mais, les tiges de tournesol, les tiges de lin, et d'autres plantes non ligneuses contenant des sucres 25 et des matières solubles dans l'eau. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les sucres mis en oeuvre sont des sucres, hydrates de carbone ou saccharides libres qui sont solubles dans l'eau, d'extraction facile et facilement transformés et durcis par l'ap5 plication de chaleur en une substance insoluble et infusible ayant un pouvoir agglomérant et de renforcement. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les sucres et les matiè10 res solubles dans l'eau contenus dans les matières lignocellulosiques sont transformés chimiquement et durcis à une température d'au moins 180 C en une substance polymère réticulée insoluble et infusible qui fournit à la fois l'agglomérant et l'agent de 15 renforcement du produit moulé. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la température de moulage et de pressage à chaud est de 220 C ou plus. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que La proportion de sucres et de matières solubles dans l'eau restant dans les produits composites finis est très réduite par la transformation chimique et la perte de poids qui ont lieu pendant l'opération de moulage à 180 C ou plus. 7 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les matières lignocellulosiques contenant des sucres sont fragmentées et mélangées avec d'autres matières lignocellulosiques ou non lignocellulosiques pour former la matière premiè30 re traitée pour la production de produits composites. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les sucres, les matières solubles dans l'eau et la moelle sont éliminés au plus partiellement de la matière première avant traitement. 35 9 Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, pour l'obtention de produits composites ayant une grande cohésion, une excellente stabilité dimensionnelle et une texture serrée, uniforme, lisse et fine, caractérisé en ce que les matières lignocellulo5 siques contenant des sucres sont fragmentées en particules ou fibres extrêmement fines. Produits composites notamment panneaux de bâtiment, panneaux pour meubles, bois reconstitué, bois densifié et produits moulés ayant un agglomérant 10 imperméable qui résiste à l'eau bouillante et à l'hydrolyse acide, caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués par un procédé suivant l'une des revendications 1 à 10.