Brevet FR2746078A1 — publié le 19970919

PROCEDE ET MACHINE POUR LA FABRICATION DE SUBSTITUTS BIODEGRADABLES DE PIECES NOTAMMENT DESTINEES A L'EMBALLAGE ET PRODUITS AINSI OBTENUS La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces biodégradables plutôt destinées à un usage professionnel comme par exemple des tubes prismatiques, des moules de pièces en béton pour l'industrie du batiment, des coeurs de bobines électriques, et ..., et plus particulièrement au domaine de l'emballage, ou encore à l'obtention d'éléments de calage ; les pièces biodégradables ainsi obtenues à partir de pailles de céréales mélangées à des issues de meunerie avec des liants amylacés, avantageusement complétés par des colles naturelles biodégradables, constituent des substituts remarquables aux matériaux plastiques, polystyrène et autres mousses rigides ou souples en polyéthylène ou polyuréthanne, entrant systématiquement dans la fabrication de nombreux produits industriels. L'invention a également pour objet une machine mettant en oeuvre un tel procédé de fabrication de pièces biodégradables, et concerne également des produits particuliers élaborés par ladite machine. Chacun connaît aujourd'hui les problèmes touchant à la préservation de l'environnement, liés à l'utilisation d'un grand nombre de composants ayant un coefficient de biodégradabilité faible, voire nul. Devant les problèmes quasi insurmontables du recyclage de tels composants, de nombreux pays en interdisent aujourd'hui l'utilisation, qu'ils entrent dans la fabrication des produits eux-mêmes ou dans leur conditionnement, tels que par exemple les éléments de calage couramment réalisés en polystyrène ou en mousse expansée. Depuis longtemps maintenant, on a pensé utiliser pour remplacer ces composants non dégradables biologiquement, des végétaux qui sont par ailleurs produits en quantité largement suffisante pour entrer dans un processus industriel de fabrication. Pour l'essentiel, il s'agit de pailles de céréales, telles que blé, lin etc, qui sont par exemple produites sur 5 millions d'hectares en France à raison de 1,5 tonnes à l'hectare. On sait encore que les issues de meunerie, c'est-àdire les gros et petits sons, qui proviennent de la transformation des céréales en farine et qui peuvent se présenter sous différentes granulométries, constituent une matière première fort intéressante dans les substituts végétaux biodégradables. A cet effet, il est intéressant d'observer que le son, par sa taille hautement variable, procure en mélange avec les pailles de céréales, un régulateur de densité des produits de substitution ; par ailleurs, chacun sait que la composition du son est particulièrement remarquable en ce qu'il peut apporter jusqu'à 20 % d'amidon, et on sait maintenant que l'apport de son dans des mélanges de pailles de céréales contribue à une nette amélioration de l'état de surface par remplissage des interstices de la masse, tout en contribuant à une évidente amélioration du collage de l'ensemble, grâce à sa forte teneur en amidon. On connaît déjà un certain nombre de produits de substitution qui ont déjà fait l'objet de brevets antérieurs ; on peut regrouper ces brevets en deux grandes catégories a) - Fabrication par moulage d'une pâte humidifiée à base de matières riches en cellulose et amylacées, suivi d'une cuisson comprise entre 70 et 2500C effectuée le cas échéant sous pression. Un exemple de cette première catégorie est décrite dans le brevet DE-4009408 au nom de KIENLE. b) - Fabrication par extrusion d'une pâte similaire à la catégorie précédente contenant, le cas échéant, des additifs complémentaires. Un exemple typique de fabrication est décrit dans la demande internationale W093/03976 au nom de SCHAAF TECHNOLOGY. Ces deux grandes filières de fabrication de produits biologiquement dégradables présentent de gros inconvénients, en ce qu'il est tout d'abord difficile de maîtriser la consistance desdits produits, et notamment leurs caractéristiques mécaniques, telles que la résistance à la pression, l'homogénéité de structure, l'aptitude des produits à supporter des contraintes de pression, flexion, ou encore de choc, l'état de surface qui est souvent difficilement maîtrisé ; toutefois, l'inconvénient majeur des deux techniques connues de l'Art Antérieur tiennent à ce que la consommation d'énergie nécessaire à la cuisson des produits est particulièrement élevée, et on notera qu'en outre, les procédés antérieurs nécessitent de grandes quantités de colle et d'eau pour parvenir à des résultats mécaniques seulement satisfaisants. La présente invention a donc pour premier but de proposer un procédé de fabrication de substituts végétaux selon une troisième filière excluant, à priori, les techniques de cuisson et d'extrusion, trop gourmandes en énergie, en colle et en eau. A cet égard, il est proposé selon l'invention un procédé d'obtention d'un substitut biodégradable des matériaux tels que polystyrène ou mousse de polyéthylène ou de polyuréthanne pour la fabrication de pièces industrielles notamment destinées au domaine de l'emballage, caractérisé par la succession des étapes suivantes - a) broyage et calibrage de la paille de céréales en fonction de la densité finale du substitut souhaitée, - b) mélange avantageux quoique non obligatoire avec des sons issus de la transformation des céréales selon une granulométrie déterminée, et humidification du mélange pailles/sons, - c) apport de colle et mélange, - d) compression du mélange précédent pour former un agglomérat à structure isotrope, - e) séchage à coeur par des moyens permettant d'extraire l'eau de l'intérieur vers l'extérieur de l'agglomérat avantageusement combiné avec un séchage externe. Bien entendu, l'une des techniques particulièrement avantageuse pour mettre en oeuvre l'étape e du procédé selon l'invention, consiste à soumettre le mélange paille/son/colle au rayonnement haute fréquence, avec l'avantage d'une extraction de l'humidité interne dans les fibres de paille depuis le coeur de la fibre vers l'extérieur de celle-ci, dans la mesure où, il est bien connu que la pénétration de tels rayonnements créé au coeur de la fibre une vaporisation progressive des molécules d'eau qui ont donc tout naturellement tendance à s'échapper de la fibre en remontant à sa périphérie. Il est alors remarquable d'observer que la vapeur d'eau ainsi extraite du coeur des fibres du mélange végétal, vient avantageusement mouiller les grains de colle qui, selon l'une des variantes de l'invention détaillée plus loin, ont été préalablement mélangés aux végétaux sous une forme de poudre dont la finesse granulométrique permettra une très bonne répartition tout autour des fibres et, bien entendu, au contact des fibres entre-elles ; on comprend bien alors le mécanisme de fixation de ces fibres entre-elles par collage résultant de la combinaison avantageuse des grains de colle uniformément répartis, et de l'apport d'eau sous forme de vapeur extraite de l'action directe du rayonnement haute fréquence. Il est évident que les quantités d'eau résiduelle ainsi que le séchage pourront être avantageusement obtenus en soumettant l'agglomérat à un courant d'air chaud à une température compatible avec les composants du mélange. Suivant des caractéristiques complémentaires de l'invention, il est prévu de sélectionner la nature et la taille des composants entrant dans le mélange végétal s'il est connu que les caractéristiques mécaniques de l'agglomérat obtenu par n'importe quelle filière d'ailleurs, sont liées à la granulation de la paille, d'une part à la granulation du son d'autre part, il est en revanche toujours oubliée la granulation du liant ; ceci ressort de ce qu'habituellement les liants sont issus de colle liquide du type des colles phénoliques, ou amylacées ou urée formol, ou de colle en poudre préalablement mouillée avant l'incorporation dans le mélange des pailles. Comme il a été dit au dessus, le fait d'introduire selon une variante particulièrement préférée de l'invention, une colle en poudre, permet de répartir assez finement les grains de poudre autour des fibres composant le mélange pailles/issues de meunerie. Bien entendu, plus la granulation du liant est fine, plus la répartition est grande, et plus le collage inter-fibres s'avère efficace. On comprend bien maintenant que le procédé selon l'invention permette d'obtenir des produits de substitution à un grand nombre de produits industriels formés à partir du polystyrène, de mousse de polyéthylène ou de polyuréthanne, présentant des caractéristiques mécaniques au moins équivalentes et des coûts de fabrication largement inférieurs aux filières précédemment connues. L'invention sera mieux comprise et surtout de nombreux autres avantages ressortiront encore de la description qui va être donnée de plusieurs variantes du procédé de fabrication de substituts biodégradables ainsi qu'une machine mettant en oeuvre ledit procédé et le produit finalement obtenu, données à titre d'exemples non limitatifs en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique représente schématiquement la succession des étapes fonctionnelles du procédé telles qu'elles sont mises en oeuvre dans la machine conforme à l'invention. En référence à la figure unique du dessin, il sera maintenant donnée une description d'une machine permettant de fabriquer par exemple en continu des profilés 1 de section transverse semi-circulaire selon les étapes a, b, c, d, e du procédé conforme à l'invention ; ces profilés 1, dits par la suite en demi-lune, sont avantageusement utilisés comme produits industriels pour le calage de volumes à pans droits devant être disposés à l'intérieur d'un emballage du type tube rond ; ces calages demi-lune sont depuis longtemps fabriqués en polystyrène ou en mousse de polyuréthanne et l'un des buts de l'invention est de remplacer ces matériaux non recyclables par des substituts végétaux à base de pailles céréalières et de son. Conformément à la première étape du procédé a on mélange des pailles de céréales 2, par exemple des pailles de blé, préalablement calibrées, pour ne conserver que les longueurs de fibres égales ou inférieures à 20 mm ; sans que cela soit obligatoire, un mélange avec des issues de meunerie, par exemple du son 3 provenant de la transformation des céréales, est tout à fait avantageux dans la mesure où les sons apportent au mélange une proportion importante d'amidon (environ 20%) qui participera ultérieurement à la cohésion du produit final. Par ailleurs, la densité du même produit pourra largement dépendre de la taille du son que l'on aura choisi, pouvant à cet effet varier assez largement. Avantageusement, et suivant l'invention, il est retenu d'ajouter au mélange de pailles 2 et de gros sons 3 préalablement humidifié grâce à un premier mélangeur 4, de la colle en poudre 5 dont la granulométrie est telle que, mélangés dans un second mélangeur à palette 6, les fibres des pailles 2 et des sons 3 soient largement recouvertes de colle au moins en leurs points de contact ; on remarquera ici que le mélange obtenu est sous forme de pulvérulent collant. L'un des avantages qui ressort d'un tel mélange est une économie évidente d'eau que nécessite à l'inverse des mélanges avec des colles liquides néanmoins et selon une variante moins avantageuse, il serait toujours possible de réaliser un tel mélange avec des colles liquides, sans sortir des caractéristiques essentielles du procédé selon l'invention. On notera à titre d'exemple que pour obtenir des profilés 1 en demi-lune présentant une densité remarquable voisine de 180 kg/m3, et présentant une résistance à la compression d'au moins 3 kg/cm2 on a mélangé des pailles de blé, broyées et calibrées à 20 mm avec des gros sons comportant 20 % d'amidon environ, le mélange étant préalablement humidifié par un apport d'eau en raison de 28 à 45 % en poids du mélange pailles/sons, ce mélange humide étant lui-même additionné de colle en poudre dont la granulométrie est choisie suffisamment fine pour que lors du mélange des pailles et des sons, les fibres soient recouvertes de colle au moins en leurs points de contact dans des proportions en poids variant de 60 à 80 % pour les pailles, 15 à 30 % pour les sons et de 8 à 20 % pour la colle en poudre. L'agglomérat 7 ainsi obtenu est soutiré par gravité jusque dans un conformateur 8 dans lequel l'agglomérat 7 est compressé transversalement entre un tapis d'entraînement 9 et un guide de forme 10 lui faisant face ; le guide 10 à longitudinalement la forme en creux du profilé 1 en demi-lune qui est d'autant plus rapproché de la surface du tapis que l'on souhaite augmenter la compression transversale de l'agglomérat 7 ; bien entendu un tel montage ne constitue qu'un exemple préféré de la machine et on pourrait tout à fait imaginer mettre en face l'un de l'autre deux tapis transporteurs ou encore un guide dont la forme serait très différente pour obtenir d'autres types de profilés destinés au calage ou à des pièces du même type. Dans l'exemple, la surface du tapis 9 procure au profilé demi-lune 1 sa partie inférieure plane, le guide de forme 10 lui procurant bien entendu sa forme demicylindrique. Selon une variante plus complète de l'invention, on pourrait prévoir que la compression longitudinale de l'agglomérat 7 puisse être obtenue par des systèmes à crochets 11 amenés par le tapis lui-même et qui viennent, selon une vitesse que l'Homme du Métier déterminera aisément, pousser l'agglomérat 7 dans le sens de l'avancement, ce qui pour une même section de sortie, aura pour effet une surcompression procurant au produit final, une meilleure tenue mécanique longitudinale, même si cela se traduit par une augmentation de la densité dudit produit. Le tapis 9 du conformateur 8 est disposé de telle manière qu'il achemine l'agglomérat 7 préformé à l'intérieur d'un tunnel 12 produisant un rayonnement HF dont la fréquence est comprise entre 10 et 3000 MHz. On sait que soumis à un rayonnement HF de cette importance, le séchage des fibres 2,3 de l'agglomérat 7 se fait à coeur, c'est-à-dire que son action est de nature à vaporiser l'eau au coeur même de la fibre qui sera donc naturellement évacuée vers la surface des fibres, créant à ce niveau là une zone humide supplémentaire qui participera au mouillage des grains de poudre, c'est-àdire dans les zones de contact inter-fibres, au collage ultra rapide entre les mêmes fibres. On conçoit bien que cette technique d'extraction constitue un avantage décisif non seulement pour la qualité du collage entre les fibres, mais encore pour l'économie que le procédé permet de réaliser en eau pour le collage et en énergie pour son évacuation. I1 est bien évident que cette étape de séchage à coeur, par rayonnement HF, constitue la caractéristique essentielle du procédé selon l'invention que méconnaissaient totalement les procédés antérieurement connus. Bien entendu, l'agglomérat 7 séché à coeur dans le tunnel 12 sera enfin soumis à un courant d'air chaud pulsé passant avantageusement dans le tunnel 12, à la fois pour obtenir un séchage en surface du profilé durci 1 et pour extraire l'eau résiduelle provenant de la vaporisation due à la haute fréquence. Ce flux d'air pulsé est maintenu à environ 1200C ; on observera que pour obtenir des profilés 1 ayant les caractéristiques sus-évoquées, il a été nécessaire de prévoir une longueur de tunnel 12 d'environ deux mètres, la vitesse de défilement de l'agglomérat 7 étant telle que celui-ci reste soumis au rayonnement, au moins une minute et demi. Lorsque cette étape de séchage est terminée en sortie du tunnel 12, les profilés 1 ainsi obtenus font alors l'objet d'un tronçonnage 13 permettant de former des cales demi-lune directement utilisables en remplacement des produits industriels fabriqués jusqu'alors en polystyrène. Accessoirement et selon une variante particulière du procédé conforme à l'invention, on peut mettre en oeuvre l'étape d de compression du mélange pour former un agglomérat 7 à structure isotrope, obtenu non plus au moyen d'un conformateur 8 permettant la production en continu de profilés, mais par un moule, par exemple en deux parties, qui après remplissage correct d'agglomérat 7 pourra être soumis à un rayonnement HF dont la fréquence peut varier de 10 à 3000 MHz et à une température de 1200C au moins ; il s'agit en fait de créer des pièces particulières qui permettront par exemple le moulage et l'emballage de produits spécifiques tels que par exemple des appuis de fenêtre en béton armé. Le moule utilisé est évidemment en plastique et il est muni d'évents filtrants, de telle sorte que l'agglomérat 7 obtenu à l'issue de l'étape c de mélange puisse être envoyé à l'intérieur du moule par de l'air sous pression contrôlée pour obtenir un remplissage complet et homogène. Conformément encore à une variante importante du procédé de l'invention il est tout à possible de rajouter au mélange issu de l'étape c, jusqu'à 10 % en poids de fibres longues, par exemple des fibres de lin ou similaire sous forme d'étoupe, afin d'augmenter la résistance finale des produits ; il est en effet possible d'augmenter ainsi la résistance à la flexion des profilés 1 issus d'une fabrication en continu, au travers d'un conformateur 8 tel que décrit ci-avant, et ce, afin d'assurer leur tenue mécanique au moment de l'opération de tronçonnage et plus généralement lors des manipulations ultérieures. Enfin, et selon une variante accessoire des procédés conformes à l'invention, il est prévu que l'on ajoute au mélange issu de l'étape c des agents complémentaires pour un traitement du produit final contre les bactéries ou encore pour obtenir une coloration particulière, voire une ignifugation, etc ... ; l'Homme du Métier sait alors parfaitement doser l'apport de ces compléments qui sont par ailleurs tout à fait connus, afin d'obtenir dans le produit final, l'effet souhaité. Bien entendu, les pailles que l'on introduit à l'étape a du procédé peuvent être utilement remplacées par bien d'autres catégories de végétaux dépendant des productions locales comme par exemple le mil, l'herbe de savane ou encore le mousaka de Madagascar ... De même, Il est bien évident que tous les exemples qui ont été décrits et commentés au dessus représentent les variantes préférées de mise en oeuvre du procédé d'élaboration de substituts biodégradables et toutes modifications non substantielles de l'une ou l'autre des étapes constituant le procédé ou la construction de la machine, voire encore son utilisation ne sortiraient pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'obtention d'un substitut biodégradable des matériaux tels que polystyrène ou mousse de polyuréthanne pour la fabrication de pièces industrielles notamment destinées au domaine de l'emballage, caractérisé par la succession des étapes suivantes - a) broyage et calibrage de la paille de céréales en fonction de la densité finale du substitut souhaitée, - b) mélange avantageux quoique non obligatoire avec des sons issus de la transformation des céréales selon une granulométrie déterminée, et humidification du mélange pailles/sons, - c) apport de colle et mélange, - d) compression du mélange précédent pour former un agglomérat à structure isotrope, - e) séchage à coeur par des moyens permettant d'extraire l'eau de l'intérieur vers l'extérieur de l'agglomérat avantageusement combiné avec un séchage externe. 2 - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que on mélange en poids - 60 à 80 % de paille de céréales, - 15 à 30 % de son, - 8 à 20 % de colle. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la colle est du type colle en poudre exigeant, avant l'étape c, une humidification du mélange de l'étape b, par apport d'eau, à raison de 28 à 45 % en poids dudit mélange. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la granulométrie de la colle en poudre est telle que lors du mélange les fibres des pailles et des sons soient recouvertes de colle au moins en leurs points de contact. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la colle est du type colle liquide. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le séchage à coeur de l'étape e est obtenu en soumettant l'agglomérat à un rayonnement haute fréquence HF. 7 - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le séchage externe est obtenu par air chaud pulsé. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d de mise en forme de l'agglomérat s'effectue en continu pour donner un profilé. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on ajoute au mélange obtenu à l'étape c, jusqu'à 10 % en poids de fibres longues, par exemple des fibres de lin sous forme d'étoupe, afin d'augmenter la résistance à la flexion des profilés en vue de leur tronçonnage ou de leur manipulation. 10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute au mélange, à l'étape c, des agents complémentaires pour le traitement du substitut contre les bactéries ou pour obtenir une coloration, une ignifugation, etc ... 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que à l'étape d la mise en forme de l'agglomérat est obtenue dans des moules en deux parties supportant un rayonnement haute fréquence et une température de 1200C au moins. 12 - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moules étant percés d'évents filtrants, le mélange obtenu à l'issue de l'étape c est envoyé dans le moule par de l'air sous pression contrôlée pour obtenir un remplissage complet et homogène. 13 - Machine pour la production en continu d'un substitut biodégradable de densité et de résistance à la pression prédéterminées mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 8, 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend - un mélangeur (6) à palettes ou similaire alimenté en quantité requise en pailles de céréales (2), sons (3), eau et colle (5) pour obtenir un mélange homogène, pulvérulent collant, éventuellement additionné d'agents complémentaires selon la revendication 10, - un conformateur (8) recevant par exemple par gravité le mélange précédent, pour le compresser transversalement entre un tapis d'entraînement (9) et un guide de forme (10) lui faisant face, le tapis (9) étant par ailleurs muni de moyens de pression (11) dans le sens longitudinal d'avance du mélange devenu agglomérat (7), - un tunnel (12), disposé autour du conformateur (8) et équipé de moyens de rayonnement HF pour le séchage à coeur de l'agglomérat, - un dispositir producteur d'air chaud pulsé au travers du tunnel (12) pour lévacuation de l'eau résiduelle en surface de l'agglomérat (7) qui devient profilé (1), - un poste de réception du profilé (1) en sortie du tunnel (12) pour le traitement mécanique, tel que tronçonnage et conditionnement. 14 - Produit de substitution biodégradable des matériaux tels que polystyrène ou mousse de polyéthylène ou de polyuréthanne pour la fabrication de pièces industrielles notamment destinées au domaine de l'emballage de densité voisine de 180 kg/m3 présentant une résistance à la compression de 3 kg/cm2 obtenue par la machine conforme à la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend des pailles de céréales (2), par exemple de blé ou de lin de longueur calibrée entre 0 et 20 mm, de préférence 20 mm, mélangées avec des sons (3) comportant environ 20 % d'amidon, selon une répartition en poids variant de 60 à 80 % de pailles (2), 15 à 30 % de sons (3), et de 8 à 20 % de colle en poudre (5), le mélange pailles/sons étant préalablement humidifié par apport d'eau à raison de 28 à 45 % en poids dudit mélange pailles/sons, et en ce qu'on soumet le mélange, par l'intermédiaire d'un conformateur (8) à bandes dont on ajuste les pressions de moulage, aux effets d'un tunnel à rayonnement HF dont la fréquence est réglée entre 10 et 3000 MHz pour un temps de séjour d'une minute et demi, pour le séchage à coeur, ledit tunnel canalisant un flux d'air à 120 C pour le séchage en surface et l'extraction de l'eau résiduelle.