Brevet FR2784047A1 — publié le 20000407

PROCEDE DE FABRICATION D'OBJETS A PARTIR DE MATIERE PREMIERE VEGETALE PAR FORMAGE OU THERMOFORMAGE L'invention concerne un procédé de fabrication d'objets à partir de matière première végétale. Elle vise à permettre de fabriquer des objets tels que conteneurs, emballages, panneaux ou plaques, notamment pour la construction ou l'ameublement, qui, tout en bénéficiant de caractéristiques de durabilité et de stabilité compatibles avec leur fonction, soient biodégradables, compostables et recyclables. Par "biodégradable", on entend que ledit objet est susceptible d'être dégradé au moins dans sa majeure partie par des micro- organismes naturels lorsqu'il est mis dans les conditions appropriées, et ce, sans libération de produits toxiques pour l'écosystème, et à l'échelle de quelques semaines à quelques mois. Par "compostable", on entend un objet qui, divisé, homogénéisé et mélangé à de la matière organique et/ou un sol, fournit un substrat non toxique nutritif pour les plantes. Par "recyclable", on entend un objet dont la matière peut être réutilisée pour former un objet de la même gamme. Les contraintes environnementales sont de plus en plus sévères, en particulier pour les produits jetables (notamment les emballages) et conditionnements, et on cherche à fabriquer ces produits en leur conférant un caractère biodégradable et/ou compostable et/ou recyclable afin d'éviter qu'ils deviennent une pollution ou nécessitent des traitements onéreux d'élimination. Les matières plastiques synthétiques satisfont généralement à la dernière exigence mais leur recyclage est d'un coût élevé et nécessite des tris préalables pour séparer les divers types de matériaux, tris qui sont peu compatibles avec le mode de vie actuel. Pour limiter ces inconvénients, de nombreuses études ont proposé de fabriquer des objets en utilisant diverses matières végétales telles que fibre de bois, coque de tournesol, et en associant à ces matières des liants ou colles synthétiques pour obtenir des objets de bonne cohésion (US-5 593 625, US-S 663 221). Cette solution ne résout pas entièrement le problème de la destruction des objets après utilisation, en raison de la présence des matières synthétiques. En outre, les liants et colles synthétiques les plus courants ont le 2 2784047 défaut de libérer des produits toxiques, soit progressivement au cours du temps (urée-formol, phénol-formol), soit lors de la fabrication ou du recyclage (isocyanates). Par ailleurs, quelques publications ont proposé de remplacer les liants synthétiques par des liants naturels, notamment gélatine (WO-96/14361). Ce type de procédé consiste à mélanger une charge végétale (essentiellement fibreuse) et le liant naturel pour constituer une pâte, et à chauffer celle-ci afin d'assurer la diffusion du liant dans la masse et la mise en forme du produit. Le défaut essentiel de cette technique réside dans son coût provenant o0 essentiellement du coût des matières premières, lesquelles constituent des produits extraits, finis ou semi-finis. De plus, les performances mécaniques des matériaux réalisés jusqu'à présent par ce type de technique sont médiocres (résistance mécanique comparable à celle du carton). La présente invention se propose de pallier les inconvénients des procédés connus et d'indiquer un nouveau procédé permettant de fabriquer un objet biodégradable, compostable et recyclable dans de remarquables conditions d'économie. Un autre objectif de l'invention est de fabriquer un objet qui bénéficie d'une bonne résistance à la flexion compatible avec des utilisations dans la construction, l'ameublement, l'emballage, le conditionnement... A cet effet, le procédé de fabrication conforme à l'invention consiste (a) à utiliser un tourteau de tournesol ou de colza ayant une teneur pondérale en huile inférieure à 20% et une teneur pondérale en protéines supérieure à 15 %, hydraté de façon à présenter un taux pondéral d'hydratation sensiblement compris entre 5% et 55%, (b) à opérer un formage par pressage dudit tourteau dans une forme adaptée à celle de l'objet désiré et (c) à réaliser un traitement thermique ou un traitement de séchage en vue d'assurer une rigidification de l'objet en forme. Par "tourteau de tournesol ou de colza", on entend de la façon habituelle le résidu solide d'extraction d'huile de graines de tournesol ou de colza entières ou décortiquées, quel que soit le moyen d'extraction (pressage, extraction au solvant...), cette extraction d'huile pouvant être totale ou partielle 3 2784047 mais abaissant la teneur pondérale en huile du produit au-dessous d'un seuil généralement de l'ordre de 20%; le tourteau peut ou non avoir fait l'objet d'une extraction partielle préalable de protéine, sa teneur pondérale en protéines demeurant toutefois supérieure à 15 %. (Toutes les teneurs pondérales sont exprimées en pourcentage par rapport au poids de matière sèche; le taux d'hydratation est exprimé par rapport à la matière totale). Les expérimentations ont permis de constater qu'à partir d'une matière première constituée par du tourteau de tournesol ou du tourteau de colza, préparé de façon appropriée pour satisfaire aux conditions précédemment io définies, il était possible de réaliser, par un processus classique de formage ou thermoformage, des produits en forme, bénéficiant d'une excellente cohésion et de qualité de résistance remarquables, et ce, sans la nécessité d'ajouter un quelconque adjuvant. Ainsi, le procédé de l'invention est très économique puisqu'il est mis en oeuvre à partir d'une matière première brute naturelle, très abondante, sans addition de produits finis ou semi-finis, synthétiques ou naturels. Il est totalement inattendu qu'un tel résidu végétal de tournesol ou de colza, très hétérogène et considéré actuellement comme un sous-produit de peu de valeur (utilisé uniquement dans l'alimentation animale pour assurer un apport de faible valeur énergétique), permette de mettre en oeuvre dans des conditions satisfaisantes un procédé de formage ou thermoformage pour fabriquer un objet de qualité équivalente à celle des objets thermoformés en matière plastique synthétique. Ce résultat remarquable est expliqué a posteriori par les inventeurs par la composition des tourteaux de tournesol ou de colza, lesquels contiennent des fibres et des protéines, ces dernières ayant une nature et une teneur adaptées pour diffuser et associer les fibres jusqu'à constituer avec celles-ci une matrice se prêtant au formage. L'eau d'hydratation du tourteau utilisé possède une action de solvatation de ces protéines dont les chaînes se déployent pour interagir avec les fibres. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre en opérant un thermoformage du tourteau, consistant à porter celui-ci, lors du pressage, à une température sensiblement comprise entre 130 C et 200 C. Dans ce cas, on ajuste préalablement le taux d'hydratation du tourteau à une valeur comprise 4 2784047 entre 5% et 25%. Cette plage de valeur permet de bons transferts thermiques, un déploiement satisfaisant des chaînes protéiques, sans dégazage excessif susceptible de fragiliser localement le matériau. De préférence, le thermoformage est réalisé à une pression sensiblement comprise entre 15 et 25 mégapascals. Un tel procédé de thermoformage est de mise en oeuvre plus rapide qu'un formage à froid (évoqué plus loin) et conduit à de meilleures résistances mécaniques. Pour améliorer encore la cohésion et la résistance des objets thermoformés et faciliter la mise en oeuvre du thermoformage, le tourteau de tournesol ou de colza est de préférence préalablement soumis à un traitement io mécanique de division et d'homogénéisation pour lui conférer une répartition granulométrique telle que le diamètre médian des particules D50 soit sensiblement compris entre 0,1 mm et 1 mm. Par "diamètre médian D50", on entend un diamètre tel que 50% des particules en poids traversent un tamis vibrant ayant une maille de côté égal audit diamètre. (Toutes les mesures granulométriques sont effectuées sur la matière sèche). Il est ainsi possible de réaliser, par thermoformage de tourteau de tournesol ou tourteau de colza, des panneaux utilisables dans la construction, essentiellement constitués de fibres végétales liées par des protéines, présentant une résistance à la flexion sensiblement comprise entre 10 et 25 mégapascals. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le tourteau, préalablement soumis à un traitement mécanique de division et d'homogénéisation pour lui conférer une répartition granulométrique telle que le diamètre médian des particules D50 soit inférieur à lmm, est hydraté, par une 2s addition d'eau, à un taux d'hydratation sensiblement compris entre 25% et 50% en vue d'obtenir une pâte plastique qui est ensuite formée à froid par pressage avant d'être séchée jusqu'au durcissement. La pression de formage peut avantageusement être ajustée entre 1 et 5 mégapascals. Une telle mise en oeuvre conduit à une pâte se prêtant à un modelage très aisé (qualités de modelage équivalentes à celles d'une pâte à modeler) et permet de réaliser à très bas prix des objets de formes très variées. Toutefois, la résistance mécanique des objets obtenus est plus basse que dans le cas d'une mise en oeuvre par thermoformage = 2784047 telle que précédemment évoquée. Par ailleurs, il a pu être constaté que l'huile résiduelle du tourteau possède un effet défavorable sur le formnage et les qualités des objets obtenus, et on utilise avantageusement un tourteau au moins partiellement déshuilé, ayant une teneur pondérale en huile inférieure à 10%. On peut, le cas échéant, utiliser un tourteau épuisé en huile, issu de la trituration de graines de tournesol ou de graines de colza. (On entend généralement par "tourteau épuisé en huile" un tourteau contenant au plus 2 % d'huile). On limite ou on supprime ainsi les forces de répulsion hydrophobes qui ont tendance à s'opposer à o10 l'association fibres/protéines. Le tourteau peut en particulier être divisé et homogénéisé, et éventuellement déshuilé au moins en partie, par passage dans un dispositif bi- vis comprenant, d'amont en aval, des moyens de cisaillement, des moyens d'écrasement, des moyens de soutirage de la phase liquide, au moins un module à pas inversés pour réaliser une compression axiale des matières solides, et une sortie des matières solides, ledit dispositif bi-vis étant en outre équipé de moyens d'injection d'eau en vue d'ajuster le taux d'hydratation du tourteau. Un tel traitement affine la texture du tourteau et permet à l'association des fibres et des protéines d'être engendrée dans des conditions optimales lors du forrnage. En outre, il permet le cas échéant d'assurer un déshuilage complémentaire du tourteau. Le tourteau de tournesol ou de colza peut le cas échéant être enrichi en fibres végétales en vue d'abaisser encore le prix de revient des objets obtenus. Ce mode de mise en oeuvre qui permet de valoriser des stocks existants de fibres végétales de faible valeur (paille, coque de tournesol) sera notamment utilisé lorsqu'on utilise un tourteau contenant toutes ses protéines originelles (sans extraction partielle) ou lorsque l'objet recherché n'est pas soumis à des exigences sévères de résistance mécanique. Le procédé de l'invention permet de fabriquer des objets de type très divers: objets plats tels que panneaux, plaques, supports, intercalaires..., objets creux tels que conteneurs, emballages.... Les exemples qui suivent sont destinés à illustrer le procédé 6 2784047 de l'invention. Dans l'exemple 1, le tourteau après déshuilage par pressage de type traditionnel est soumis à un traitement de préparation préalable dans un dispositif bi-vis; ce dispositif bi-vis et les dispositifs de moulage pour réaliser le formage ou le thermoformage dans les exemples sont schématisés aux dessins annexés; sur ces dessins: la figure 1 est une représentation longitudinale symbolique dudit dispositifbi-vis, la figure 2 en est une coupe transversale par un plan A, 10. les figures 3, 4 et 5 sont des coupes verticales des dispositifs de moulage utilisés respectivement dans les exemples 1, 2 et 3. Le dispositif bi-vis schématisé aux figures 1 et 2 est utilisé pour effectuer la préparation préalable des tourteaux à l'exemple 1; ce dispositif est obtenu à partir de modules commercialisés par la Société "CLEXTRAL" (marque déposée) sous la référence générale "BC45". Chaque module comprend une enceinte tubulaire à double paroi 1 et 2 qui permet une régulation thermique du coeur de l'enceinte o sont logés les organes actifs. Certains modules sont du type comprenant deux vis identiques copénétrantes, d'autres du type comprenant des malaxeurs de cisaillement composés de disques bilobes. Les divers modules sont entraînés en rotation en synchronisme par un moteur électrique 3 permettant d'obtenir une vitesse de rotation de son arbre de sortie pouvant atteindre 700tr/min. Dans les exemples, la vitesse de rotation choisie est de 10Otr/min. Le dispositif comprend essentiellement les zones fonctionnelles suivantes (d'amont en aval): - une zone de convoyage et mise en pression Z., comprenant une trémie 4 d'alimentation en tourteaux, des modules de bi-vis à pas direct décroissants tels que 5, et un conduit 6 doté d'une pompe 7 pour l'injection d'eau, - une zone de cisaillement Z2, comprenant un ou des malaxeurs à disques bilobes tels que 8, - une zone d'écrasement et mise en pression Z3, combinant des modules d'écrasement constitués par des modules de bi-vis à pas 7 2784047 direct tels que 9 avec un pas décroissant d'amont vers l'aval, et un module de bi- vis à pas inversé 10 pour réaliser une compression axiale des matières, des moyens de soutirage de la phase liquide situés au niveau de la zone Z3 et combinant un filtre 11 et une sortie de liquide 12 (mis en service dans le cas o un déshuilage complémentaire des tourteaux est recherché), - et une zone terminale de recueil des matières solides Z4, comprenant un module de bi-vis à pas direct 13 et une sortie 14 des matières (tourteaux prêts au formage). Le moule de type classique schématisé à la figure 3 est destiné à réaliser un formage à froid tel que décrit à l'exemple 1. Ce moule comprend, d'une part, une forme creuse 17, en l'exemple tronconique, fixée sur un plateau de presse 18 et possédant un fond 19 amovible pour faciliter le démoulage, d'autre part, une contre-forme conjuguée 20 fixée sur l'autre plateau 21 de la presse. Le positionnement correct des forme et contre-forme est assuré par un pion de centrage 22. Moulage et démoulage sont réalisés à froid. Le moule de type classique schématisé à la figure 4 est destiné à réaliser un thermoformage tel que décrit à l'exemple 2, en vue d'obtenir un objet creux de même forme qu'à l'exemple 1. Ce moule est similaire à celui de la figure 3, si ce n'est que la paroi interne de la forme creuse est équipée d'une grille 23 d'évacuation de vapeur et le fond d'un fritté 24 relié à un conduit 25 d'évacuation de vapeur. Ces forme et contre-forme sont disposées dans une presse chauffante (non représentée). Au cours du thermoformage, un faible jeu d'environ 1 mm est préservé au-dessus de la forme creuse pour permettre l'évacuation de vapeur. Le moule de type classique schématisé à la figure 5 est destiné à réaliser un thermoformage de panneau tel que décrit à l'exemple 3. Ce moule comprend, en premier lieu, une forme 26 conjuguée de celle des panneaux désirés, dont le fond est constitué par un socle amovible 27 équipé d'un fritté 28 relié à un conduit d'évacuation de vapeur d'eau 29. Le moule comprend également une contre-forme 30 pour obturer la forme 26, cette contre-forme étant équipée d'un fritté 31 relié à un conduit d'évacuation de vapeur 32. Ces forme et 8 2784047 contre-forme sont placées dans une presse chauffante. EXEMPLE 1: Composition de la matière première utilisée Dans cet exemple, on utilise du tourteau de tournesol épuisé en huile, issu de la trituration de graines de tournesol; l'extraction d'huile a été réalisée par pressage et une extraction à l'hexane. Après extraction, la composition du tourteau est la suivante: % % % % % % % % Taux Minéraux Protéines Lipides Cellulose Lignine Hémi- Composés d'hydracellulose phénoliques tation 10.0 7.0 35.6 1.0 22.3 5.2 18.5 5.7 Le diamètre médian D50 des particules de la matière brute est égal à 0,65 mm (mesure à sec). Préparation mécanique et hydratation de la matière en vue de l'obtention d'une pâte plastique. L'hydratation, l'homogénéisation et la division de la matière sont réalisées à l'aide du dispositif bi-vis des figures 1 et 2 déjà décrit. (Le tourteau étant totalement déshuilé, la sortie liquide n'est pas utilisée). La vitesse de rotation des vis est égale à 100 tours par minute et la température du dispositif est régulée et maintenue à 30 C. Le débit de tourteau injecté en tête est voisin de 32 kg/h. Environ 32 I/h d'eau sont injectés. La matière hydraté produite a un taux pondérai final d'hydratation de 47% et un diamètre médian D50 de 0,4 mm (mesure à sec). Elle se présente sous la forme d'une pâte plastique homogène et facilement modelable. Formage de la pâte: g de pâte sont placés dans le moule de la figure 3. Une pression de 4 mégapascals est exercée entre forme et contre-forme. Le démoulage s'effectue à froid. Après démoulage, la pièce conserve sa forme. Séchage de la pièce moulée: Dans cet exemple, le séchage de la pièce a été réalisé dans 9 2784047 une étuve ventilée à 60 C pendant une nuit. La pièce durcit et un retrait d'environ 1% peut être constaté. La pièce creuse obtenue peut être remplie de terre ou de gravier sans déformation. Un broyage et une réhydratation de la pièce permettent de reformer une pâte plastique propre à subir un nouveau formage. EXEMPLE 2: Composition de la matière première utilisée Dans cet exemple, on utilise du tourteau épuisé en huile issu de la trituration de graines de tournesol, dont la composition et la granulométrie à l'état brut sont identiques au tourteau utilisé à l'exemple 1. Préparation mécanique et hydratation: Le tourteau est d'abord homogénéisé par broyage (broyeur à marteaux muni d'une grille de 0,5 mm). Le D50 est ramené à 0,35 mm. Le tourteau est alors mélangé à de l'eau dans des proportions permettant l'obtention d'un taux d'hydratation pondéral égal à 38%. Le mélange est réalisé dans un malaxeur "Perrier" pendant 10 min, à température ambiante. Thermoformage: g de matière sont placés dans le moule de la figure 4. La presse est chauffée à 160 C. Une pression de 5 mégapascals est exercée pour ajuster forme et contre-forme. Le moule est maintenu à 160 C pendant 1 min environ après la fin du dégagement de vapeur d'eau. La pièce est alors démoulée. Elle est sèche et rigide. On n'observe aucun retrait mesurable. La pièce ne nécessite pas de conditionnement ultérieur. Broyée et mise en terre, la pièce se dégrade puis disparaît en quelques semaines. EXEMPLE 3: Composition de la matière première Dans cet exemple, on utilise du tourteau épuisé en huile issu de la trituration de graines de tournesol, dont la composition et la granulométrie à l'état brut sont identiques au tourteau des exemples précédents. Préparation mécanique 2784047 La matière première est homogénéisée par broyage (broyeur à marteau muni d'une grille de 0,5mm). Le D50 est ramené à 0, 35mm. Le taux d'hydratation initial du tourteau est conservé (10%). Thermoformage: g de matière sont placés dans le moule de la figure 5. Les frittés ont été préalablement enduits d'un agent de démoulage. La température du plateau inférieur de la presse est fixée à 150 C, celle du plateau supérieur à C. Une pression de 20.4 mégapascals est appliquée et maintenue une minute après le rééquilibrage de la température des plateaux de la presse. La pièce peut alors être démoulée. Elle est sèche, plate et rigide. Une fois refroidie, elle ne nécessite pas de conditionnement particulier. Ses caractéristiques mécaniques sont présentées dans le tableau cidessous. Elles ont été mesurées sur texturomètre XTRAD selon la norme NF EN 310. E (mm) Rf(Mpa) Em (Mpa) Masse volumique (g/cm3) 3.67 18.2 2545 1.00 E: épaisseur de l'éprouvette Rf: résistance à la rupture en flexion Em: module d'élasticité Placée en milieu saturé en humidité, la pièce se couvre de moisissures et commence à se dégrader au terme de quelques semaines. Il 2784047 REVENDICATIONS 1/ - Procédé de fabrication d'un objet biodégradable, compostable et recyclable, caractérisé en ce qu'il consiste (a) à utiliser un tourteau de tournesol ou de colza ayant une teneur pondérale en huile inférieure à 20% et une teneur pondérale en protéines supérieure à 15 %, hydraté de façon à présenter un taux pondérai d'hydratation sensiblement compris entre 5% et 55%, (b) à opérer un formage par pressage dudit tourteau dans une forme adaptée à celle de l'objet désiré et (c) à réaliser un traitement thermique ou un traitement de séchage en vue d'assurer une rigidification de l'objet en forme. 2/- Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel on utilise un tourteau ayant un taux d'hydratation sensiblement compris entre 10 % et 25 % et en ce qu'on opère un thermoformage dudit tourteau en le portant lors du pressage à une température sensiblement comprise entre 130 C et C. 3/ - Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel le thermoformage est réalisé à une pression sensiblement comprise entre et 25 mégapascals. 4/- Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, dans lequel le tourteau de tournesol ou colza est préalablement soumis à un traitement mécanique de division et d'homogénéisation pour lui conférer une répartition granulométrique telle que le diamètre médian équivalent des particules D50 soit sensiblement compris entre 0,1 mm et 1 mm. / - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on utilise un tourteau de tournesol ou colza au moins partiellement déshuilé, ayant une teneur pondérale en huile inférieure à 10 %. 6/ - Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel on utilise un tourteau de tournesol épuisé en huile, issu de la trituration de graines de tournesol ou de colza. 7/- Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel on utilise un tourteau divisé et homogénéisé et éventuellement déshuilé par passage dans un dispositif bi-vis comprenant, d'amont en aval, des moyens de cisaillement (8), des moyens d'écrasement (9), le cas échéant, des moyens de 12 2784047 soutirage d'une phase liquide (11, 12), au moins un module à pas inversés (10) pour réaliser une compression axiale des matières solides, et une sortie (14) desdites matières solides, ledit dispositif bi-vis étant équipé de moyens d'injection d'eau (6, 7) en vue d'ajuster le taux d'hydratation du tourteau obtenu. 8/- Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on utilise un tourteau de tournesol ou de colza enrichi en fibres végétales. 9/ - Procédé selon la revendication 1 pour la fabrication à froid d'un objet, dans lequel on soumet le tourteau de tournesol ou colza à un traitement mécanique de division et d'homogénéisation pour lui conférer une répartition granulométrique telle que le diamètre médian équivalent des particules D50 soit inférieur à lmm, on hydrate ledit tourteau à un taux d'hydratation sensiblement compris entre 25 % et 50 % en vue d'obtenir une pâte plastique, on opère un formage à froid de ladite pâte, et on réalise un séchage de celle-ci jusqu'au durcissement. / - Procédé selon la revendication 9, dans lequel le formage est réalisé à une pression sensiblement comprise entre 1 et 5 mégapascals. 11/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 pour la fabrication d'objets plats tels que panneaux ou plaques. 12/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 pour la fabrication d'objets creux tels que conteneurs ou emballages. 13/ - Panneau thermoformé utilisable en particulier dans la construction, fabriqué par mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué de fibres végétales liées par des protéines et en ce qu'il présente une résistance à la flexion sensiblement comprise entre 10 et 25 mégapascals.