Brevet FR2768645A1 — publié le 19990326

La présente invention concerne la fabrication d'un d'un produit de remplacement du bois, du type de ceux qui sont constitués par un matériau composite de résine organique et de fibres de bois, dans la gamme des densités moyennes. Il s'agit de matériaux qui se présentent sous la forme de plaques à découper et que l'on appelle dans le métier un "medium density fiberboard", ou "MDF", à partir de l'expression anglo-saxonne. Les fibres de bois présentent des atouts indéniables pour la fabrication de matériaux composites à partir de compositions dans lesquelles elles se trouvent en mélange avec des résines organiques durcissant par polymérisation. Elles assurent une bien meilleure cohésion que des charges en poudre. Elles ont en outre l'avantage d'être largement15 disponibles à bon marché à partir des résidus des scieries et des usines de fabrication d'articles de menuiserie en bois véritable. Par contre, et d'une manière générale, la fabri- cation des composites MDF, spécialement dans le cas d'une fabrication industrielle, implique des compositions et conditions qui sont différentes de celles que l'on applique pour des produits légers ou pour des matériaux très denses dans lesquels les fibres de bois ne constituent guère qu'une charge parmi d'autres. Les fibres de bois s'y utilisent en général calcinées et en combinaison avec des résines organiques de -la famille des aminoplastes, telles plus spécialement les résines de mélamine-formol et/ou urée-formol, en des proportions telles que lorsque la composition de base est30 étalée en un feutre puis durcie, ce qui se fait à chaud sous pression mécanique, à une température suffisante pour provoquer la polymérisation du liant de résine(s), elle conduit à des plaques de matériau MDF utilisables, en mieux, en remplacement des plaques de bois ou de bois reconstitué35 plus classiques. Les matériaux actuels de type MDF se fabriquent donc couramment en plaques à découper. Mais on ne se sait pas leur donner un aspect qui évite d'avoir à leur appliquer un revêtement, alors qu'il le faudrait pour répondre aux attentes du marché. En particulier, ils sont naturellement d'une couleur terne, variable dans les bruns, qui leur vient du bois d'origine, et qui, dans la grande majorité des applications, n'est pas appréciée par la clientèle. En outre, cette couleur n'est ni franche, ni uniforme, ni reproductible, et elle n'est même pas stable dans le temps. Par suite, on est conduit à doubler les plaques de MDF d'une couche de revêtement correctement colorée en vue de leur commercialisation, et si tel n'est pas le cas, il faut à tout le moins, préconiser l'application d'une peinture15 recouvrant leur surface chez l'utilisateur. Pourtant, les composites de ce type trouvent de nombreuses applications dans l'industrie, o ils sont destinés généralement à remplacer le bois dans ses appli- cations courantes, notamment pour la fabrication de meubles20 et autres objets d'équipement de locaux et de décoration, mais aussi pour la confection de boites, panneaux et articles divers. Il s'ensuit qu'ils doivent être tout aussi faciles que le bois naturel à découper, trouer, coller, visser, raboter, abraser, polir, etc. Par contre, même si25 l'on peut chercher, par rapport au bois naturel, à faire mieux dans certaines propriétés telles que la résistance aux agents chimiques, la résistance au choc ou à la rayure, la résistance au feu, etc., ils présentent encore l'inconvénient majeur de mal accepter la peinture30 superficielle ultérieure pour des consommations raisonnables. A l'origine de l'invention, on a effectivement constaté qu'il se présentait des difficultés pour obtenir des coloris divers dans la masse de ces matériaux, et35 surtout que les connaissances en la matière ne permettent jamais d'obtenir des teintes claires de qualité pastel. Pour permettre la coloration du matériau dans la masse au cours de sa fabrication, l'invention se base sur la sélection d'agents colorants particuliers en combinaison avec la composition de la matière à durcir et les conditions de sa mise en oeuvre. Ainsi, l'invention a pour objet un procédé de fabri- cation d'un produit de remplacement du bois, se présentant en plaques à découper et constitué par un matériau composite de résine organique de la famille des aminoplastes et de fibres de bois, dans la gamme des densités moyennes, qui se caractérise en ce que, pour assurer la coloration du matériau dans sa masse dans des teintes variées, et notamment dans des tons pastel, il consiste à provoquer le durcissement, par polymérisation à chaud sous pression15 mécanique, d'une composition comportant un agent colorant organique en plus de la résine organique et des fibres de bois, cette composition étant soumise au préalable à une étape de séchage à chaud en atmosphère oxydante. Les colorants peuvent être avantageusement de type cationique. Toutefois il est préférable de les choisir parmi les colorants catalogués basiques ou ceux catalogués directs, avec en plus une préférence pour ces derniers bien qu'ils ne soient pas de type cationique. La classification des colorants à laquelle on se réfère ici est, comme il est usuel, celle de la désignation internationale SDC établie par la société "Society of Dyers and Colorists". L'agent colorant, éventuellement lui-même constitué par un mélange de plusieurs composés chimiques compatibles, est présent dans la composition dans une proportion efficace à la fois pour faire disparaître la teinte venant des fibres de bois qu'il aurait en son absence et pour conférer sa propre teinte au matériau durci final. D'une manière générale, cette proportion est avantageusement comprise dans la gamme de 0,1 à 3 % en poids du poids de matières sèches de la composition totale, et de préférence entre 0,1 et 1 %. Les agents colorants utiles suivant l'invention existent sur le marché. Ils y sont proposés pour des applications tout différentes, à savoir la teinture des fibres textiles dans les tissus naturels ou synthétiques. C'est ainsi que l'on peut avantageusement utiliser suivant l'invention les colorants vendus sous la marque Astrazon de la société DyStar pour les colorants basiques,10 et que, notamment pour des matériaux devant supporter une exposition au soleil, on leur préfère les colorants directs vendus par la même société sous la marque Sirius. Bien entendu, l'invention porte non seulement sur le procédé, mais aussi sur la composition correspondante et sur les matériaux en plaques obtenus. Par ses différentes caractéristiques, telles qu'elles sont définies et décrites ci-dessus et ci-après et telles qu'elles peuvent être avantageusement appliquées industriellement, l'invention permet notamment: - d'assurer une bonne diffusion du colorant tout au sein de la masse de matériau ainsi que sa fixation définitive sur les fibres de bois, et donc une permanence durable et homogène de la coloration; - de faciliter la mise en oeuvre du produit obtenu, en supprimant éventuellement tout besoin de peinture ultérieure -pour peu que l'objet confectionné se contente des coloris des plaques que son fabricant a achetées; - de faciliter la mise en forme et le traitement des compositions jusqu'à l'obtention des plaques durcies; - de conduire de manière sûre et reproductible à des teintes stables dans les coloris désirés, grâce en parti- culier au fait que la composition supporte sans difficulté les conditions de traitement choisies suivant l'invention, malgré les hautes températures auxquelles elle est exposée et malgré les variations sensibles du pH qu'elle doit subir. L'invention sera maintenant plus complètement décrite, dans le cadre de ses caractéristiques préférées, à l'aide d'un mode de mise en oeuvre particulier du procédé et d'exemples de la composition objet de l'invention. Dans ces exemples, les quantités et proportions seront chiffrées en poids et en pourcentage du poids de matières sèches, sauf indication contraire. Bien entendu, cette description n'entend pas être limitative, et l'homme de l'art saura y apporter de nombreuses variantes et adaptations à partir des connais- sances à sa portée, se situant notamment dans le domaine des matières plastiques et des matériaux composites de bois. Suivant l'invention les fibres de bois sont incorporées dans la composition à durcir sous la forme d'une pulpe dite thermo-mécanique, résultant de la dessiccation de déchets de bois broyés. En général, des déchets de bois trop gros sont ramenés à l'état de sciure ou copeaux puis tamisés ou autrement triés pour ne conserver que ceux dont les dimensions sont de l'ordre de 5 à 40 mm. Ensuite, après un nettoyage éventuel en soi classique, ils sont passés en étuve pour un traitement d'humidification et de ramol- lissement par la vapeur d'eau qui s'effectue à une tempé- rature de l'ordre de 150 à 170 0C. Ils en sont éjectés à travers un broyeur à disques rotatifs qui les déchiquette en fibres dont la longueur n'excède pas 1 à 2 mm en moyenne. C'est alors que ces fibres sont additionnées de la résine organique et d'un colorant organique approprié à la teinte désirée. L'ensemble est soigneusement malaxé. L composition obtenue est ensuite transférée par transport pneumatique à une étape de séchage, qui s'effectue en cyclone en milieu d'air chaud, donc en atmosphère oxydante, et à une température de l'ordre de 120 à 140 OC, jusqu'à atteindre un degré de siccité ne dépassant pas 12 % d'humidité. La composition chimique du bois, s'agissant ici d'une espèce tendre (essence Pinus Pinaster par exemple), est la suivante, en poids: Moyenne Cellulose 43 - 47 % 45 % Hémicellulose 25 % 30 % Lignine 16 - 24 % 20 % Matières volatiles 2 - 8 % 5 % Suivant l'invention, la sciure de fibres de bois est en intime mélange dans la composition avec la résine additionnée de l'agent colo rant dès l'étape de séchage15 préalable à l'étape de durcissement proprement dite. La résine est comme il est classique une résine appartenant à la famille des résines aminoplastes, et apte à durcir par polycondensation de la résine sur elle-même et éventuellement par réaction également avec d'autres constituants ajoutés dans la composition. Comme résine on utilise ici une résine d'urée-formol ou une résine de mélamine-urée-formol. En général, il n'est pas nécessaire qu'elle soit modifiée par un autre polymère. Par contre, on préférera souvent les copolymères d'urée-25 formol et de mélamine formol. A titre d'exemple, la résine comprend 75 % d'urée et % de mélamine, en combinaison avec du formaldéhyde dans les proportions stoechiométriques. Dans le mélange, en plus du ou des agents colorants organiques choisis conformément à l'invention, on peut incorporer des additifs divers, tels que ceux que l'on connaît pour conférer au produit final des propriétés spécifiques de résistance au feu ("flame retardants" en anglais) ou de résistance à l'humidité, ou pour favoriser la résistance aux agents atmosphériques dans les applications en extérieur des plaques finalement obtenues. On obtient ainsi une pâte que l'on dépose en épaisseur régulière sur une bande en tamis qui passe sur des pompes à vide, de manière à compacter la pate retenue sur le tamis pour former un feutre. L'opération conduit à un feutre compact o les fibres de bois sont réparties de manière homogène et o déjà la cohésion est assurée entre elles et la résine additionnée de colorant. Dans la composition ainsi mise en forme, le taux d'humidité n'est plus que de l'ordre de 8 à 10 %. Il s'est abaissé par exemple de 12 % en sortie de l'étape de séchage à 9 % après le séchage complémentaire à température ambiante qu'implique l'étape de compactage. On peut observer d'autre part que la composition présente un caractère légèrement acide, contrairement à la pâte de départ. Lors du malaxage,20 le pH est compris entre 8,5 et 10, et en fin de séchage, il est voisin de 5. Le feutre ainsi obtenu en une bande continue est découpé en plaques individuelles avant d'être soumis à une cuisson qui assure son durcissement par polymérisation. Cette cuisson s'opère à chaud et sous pression, chaque plaque étant comprimée entre deux plateaux d'une presse mécanique qui la chauffent simultanément à une tempé- rature de l'ordre de 170 C, plus généralement comprise entre 160 C et 180 C. La pression est de l'ordre de 29030 bars, et plus généralement comprise entre 30 et 10 kg/cm2. Les plaques finalement obtenues, colorées dans la masse, sont prêtes à être commercialisées après une recti- fication des bords. En exemples, leurs compositions chimiques sont constituées, en proportions pondérales de matières sèches, de: En moyenne Fibres de bois 80 - 90 % 68 83 % Résine organique 8 - 12 % 10 % Huile de paraffine 1 - 2 % 1.5 % Colorant organique 0.1 - 1 % 0.5 % Les agents colorants incorporés dans ces compo- sitions suivant l'invention, à une dose comprise entre 0,1 et 1 % en poids du poids total de la composition en matières sèches (suivant l'intensité de coloration désirée dans la masse de la plaque finale), sont tous des colorants organiques qui appartiennent seulement à deux catégories de la classification SDC, à savoir celle des composés dits15 basiques, ou celle des agents colorant dits directs. Dans ce cadre rentrent par exemple les agents colorants ci-après: Astrazon 2RN pour obtenir une teinte gris anthracite, - Astrazon FBL pour obtenir une teinte bleu ciel, - Sirius Royal Blue S pour obtenir une teinte bleu vif. En utilisant d'autres colorants des mêmes gammes en même temps que des additifs connus appropriés, on obtient: - des plaques spéciales par leur résistance à -l'humidité, aux quelles on confère la couleur verte, - des plaques colorées en gris en association avec un additif favorisant la résistance aux agents atmosphériques, en vue des applications en extérieur, - des plaques colorées en rouge en association avec un additif assurant une bonne résistance au feu. Différents essais ont été effectués pour étudier les mécanismes réactionnels qui peuvent entrer en jeu pendant le déroulement du procédé de séchage et durcissement et déter- miner comment peuvent s'expliquer les résultats surprenants obtenus par l'invention. A ce sujet, il est à souligner que les colorants préconisés suivant l'invention ont été développés pour servir en teinture de fibres textiles, principalement des fibres de coton, lesquelles sont dépourvues de lignine et exclusivement constituées de cellulose. Il était donc impré- visible que les agents colorants de cette famille puissent10 être efficaces pour la coloration des matériaux composites à base de fibres de bois, et ce au point d'imposer la teinte du colorant en faisant disparaître la couleur naturelle venant des fibres de bois qu'aurait le matériau en leur absence. En premier lieu, il apparaît que les colorants voient leur pouvoir colorant préservé tout au long du traitement de la composition, alors même que les conditions de sa mise en oeuvre lui font subir des variations de pH importantes et des températures élevées, que ce soit pendant20 l'étape de séchage ou pendant l'étape de durcissement thermo-mécanique proprement dite. D'autre part, il semble que l'on doive globalement admettre que pour l'essentiel, les réactions chimiques qui touchent les fibres de bois pour y fixer le colorant amené25 par la résine organique impliquent la cellulose. Or effectivement, il se trouve qu'au cours du traitement, les matières volatiles du bois s'évaporent en majeure partie dans la vapeur dégagée lors du séchage à chaud. Il en est de même partiellement pour l'hémicellulose30 et la lignine, dans la mesure de leur solubilité dans l'eau. Les résultats obtenus en appliquant l'invention font également penser que pendant le processus de traitement, la cellulose du bois subit une réaction d'oxydation à l'air lors de l'étape de séchage, à la suite de laquelle elle réagit avec les agents colorants organiques par des fonctions aldéhyde, cétone, ou carboxyle, ce que ne pouvait prévoir l'homme de l'art. En outre, étant donné que la cellulose contenue dans les fibres de bois est sous forme de microfibres, ou fibrilles, présentant des régions amorphes et d'autres cristallines, l'addition de vapeur d'eau au cours du traitement entraîne une augmentation des régions amorphes. Les composés organiques constituant des colorants dits basiques ont bien moins tendance que les colorants directs à réagir avec les fibres de cellulose, mais ils ont l'intérêt de présenter une forte affinité électrophile, d'o leur capacité à former des ponts hydrogène les liant par des forces de Van des Walls aux régions amorphes des fibrilles. De la sorte, l'invention a l'avantage de permettre la fabrication de plaques de bois à découper qui présentent dans la masse, des teintes variables à volonté, et notamment dans les tons pastel, ce que l'on ne pouvait pas concevoir à partir des connaissances techniques antérieures sans faire20 oeuvre inventive. REVENDICATIONS 1. Composition à durcissement par polymérisation à chaud sous pression mécanique, pour la fabrication d'un matériau de remplacement du bois se présentant en plaques à découper, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée d'une résine organique de la famille des amino- plastes et de fibres de bois et en ce qu'elle comporte un agent colorant organique choisi parmi les colorants basiques et les colorants directs, en une proportion efficace pour réagir avec la cellulose des fibres de bois et assurer la coloration du matériau dans la masse en faisant disparaître la couleur naturelle venant des fibres de bois. 2. Composition suivant la revendication 1, carac- térisée en ce que ledit colorant est choisi parmi les colorants directs selon la classification SDC. 3. Procédé de fabrication d'un produit de rempla- cement du bois, se présentant en plaques à découper, caractérisé en ce que l'on provoque le durcissement par polymérisation à chaud sous pression mécanique d'une composition essentiellement constituée d'une résine organique de la famille des aminoplastes et de fibres de bois, en ce que l'on incorpore dans ladite composition un agent colorant organique choisi parmi les colorants basiques ou directs, en une proportion efficace pour réagir avec la cellulose des fibres de bois et assurer la coloration du matériau dans la masse en faisant disparaître la couleur naturelle venant des fibres de bois, et en ce qu'il comporte, préalablement à l'étape de durcissement à chaud sous pression mécanique, une étape de séchage de la composition effectuée à chaud en atmosphère oxydante. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion dudit agent colorant dans ladite composition est comprise entre 0,1 et 3 % en poids du poids de la quantité totale de matières sèches dans ladite composition. 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion dudit agent colorant dans ladite composition est comprise entre 0,1 et 1 % en poids du poids de la quantité totale de matières sèches dans ladite composition. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 3 à 5, caractérisé en ce que ledit colorant est choisi pour conférer au matériau final une coloration dans la masse dans des tons pastel. 7. Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que ladite étape de séchage s'effectue à une température comprise entre 120 et 140 C. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 3 à 7, caractérisé en ce que ladite étape de durcissement thermomécanique s'effectue à une température comprise entre 160 et 180 C. 9. Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que la composition obtenue par ladite étape de séchage est compactée sous 13 2768645 forme d'une plaque continue sur un tamis par aspiration d'air à travers elle avant d'être soumise à l'étape de durcissement thermo-mécanique proprement dite. 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 3 à 9, caractérisé en ce que ladite composition comporte, en pourcentage pondéral par rapport au poids total de matières sèches, de 80 à 90 % de fibres de bois et de 8 à 12 % de résine de mélamine-formol et/ou urée- formol. 11. Composition suivant la revendication 1 ou 2 pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte, en pourcentage pondéral par rapport au poids total de matières sèches, de 80 à 90 % de fibres de bois, de 8 à 12 % de résine de mélamine-formol et/ou urée-formol en tant que résine organique de la famille des aminoplastes, et de 0,1 à 3 % dudit agent colorant organique choisi parmi les colorants basiques et les colorants directs.