Brevet FR2800083A1 — publié le 20010427

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication compound constitué de particules de bois intégrées dans une matrice de matiere plastique, et produits ainsi obtenus. Elle se rapporte d'une façon générale au domaine des matériaux composites formés de matières synthétiques thermoplastiques ou thermodurcissables intégrant charges diverses destinés en particulier à la fabrication d'objets variés pouvant etre facilement mis en oeuvre par les techniques classiques de transforma tion des matières plastiques telles que les presses à injecter ou les extrudeuses. Il est connu que l'ajout d'une charge telle que talc, mica, fibres verre ou de carbone, etc, dans une matrice polymère permet d'améliorer propriétés mécaniques du matériau, notamment sa rigidité et sa solidité. Les particules de bois utilisées comme charge dans les matrices plastiques présentent de nombreux avantages comme leur faible coût, leur densite peu élevée, leur facilité d'approvisionnement, leur biodégradabilité et la possibilite donner un aspect naturel aux composites, mais également de nombreux inconvé nients tels qu'une mauvaise adhérence entre les particules et la matrice plastique, reprise d'humidité, une instabilité dimensionnelle, une mauvaise résistance aux agents de dégradation biologique, une mauvaise tenue au feu, un caractère hydrophile rendant particules de bois incompatibles avec la plupart des polymères. Il en résulte l'utilisation de particules de bois en tant que charge d'une matrice plastique génère des matériaux fragiles. Trois voies sont envisageables pour contrôler ces paramètres - 1) Ajout d'un compatibilisant. - 2) Modification chimique de la matrice polymère. - 3) Modification chimique des particules de bois. D'un point de vue économique, il n'est pas intéressant d'introduire un agent compatibilisant, ni de modifier chimiquement une matrice polymère constituée généralement de déchets plastiques mélangés non compatibles entre eux. D'où l'intérêt de modifier chimiquement les particules de bois avant de les incorporer dans la matrice polymère. Des travaux ont déjà réalisés pour améliorer les propriétés intrinsèques du bois : Le procédé de rétification bois, décrit par exemple dans les brevets suivants: FR 2 591611 (ARMINES), FR 2 927 (ARMINES) et FR 2 751580 (NEW OPTION WOOD), consiste à soumettre bois à un traitement thermique contrôlé sous atmosphère inerte ou réductrice conduit à la thermo-condensation des composés ligno-cellulosiques du bois. procédé réduit le caractère hydrophile du bois et améliore les caractéristiques comme la résistance aux micro-organismes, la stabilité dimensionnelle et la tenue en température. Il faut cependant noter coloration sombre due à la combustion d'une partie des polymères du bois tels que l'hémicellulose, la lignine et la cellulose. En outre, la rétification ne confère pas aux particules de bois une adhérence correcte avec la matrice polymère. La société française CEREMAP a déposé un brevet caractérisé par la synthèse radicalaire éventuellement en émulsion d'un copolymère formé d'au moins un composant réagissant avec les groupes hydroxyles (OH) de la cellulose du bois, d'au moins un composant assurant la compatibilité avec la matrice polymère et d'au moins un composant pour réguler les propriétés telles que l'hydrophobie et la résistance aux bactéries, ce copolymère, appelé aussi latex réactif, étant ensuite mélangé aux particules de bois qui peuvent être activées ou non dans le but de modifier chimiquement leur surface, le melange étant finalement séché à chaud. Ce processus permet seulement d'améliorer très sensiblement l'adhérence de l'interface bois-polymère, mais également de limiter la dégradation thermique des particules de bois à la température de mise en oeuvre des composites, de réduire l'hydrophobie du bois, d'améliorer sa stabilité dimensionnelle, d'augmenter sa résistance aux agents de dégradation biologique, de préserver ses propriétés physico-mécaniques, d'améliorer sa tenue au feu et de ne pas modifier la couleur du bois. Le procédé selon la présente invention a pour objectif la mise en oeuvre d'une technique permettant la réalisation de compounds bois-plastique utilisant les particules de bois modifiées chimiquement obtenues par le processus décrit ci- dessus. procédé est caractérisé par l'association de déchets de matière plastique, ou polymères synthétiques vierges, ou de mélanges de polymères vierges, avec particules de bois modifiées chimiquement pour être compatibles avec cette matière, celle-ci étant préalablement broyée, puis agglomérée, les particules de bois étant mélangées à la matière plastique avant ou après l'aggloméra tion, le mélange de bois et de plastique étant dans ce transformé dans une extrudeuse et granulé par des moyens connus. les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs de formes de réalisation de l'objet de l'invention : figures 1 et 2 sont des schémas symboliques de deux variantes du procédé revendiqué et la figure 3 représente une vis d'extrudeuse du type utilisé pour la première variante du procédé. Le procédé suivant les figures 1 et 2 consiste utiliser des polymères synthétiques avantageusement constitués de déchets (DP) de matière plastique broyés (Br) de manière à obtenir des paillettes ou des flocons dont la densité est réduite par passage dans une machine à agglomérer (Ag). Les particules de bois (PB) modifiées chimiquement peuvent être mélangées aux déchets plastiques après ou avant l'agglomération. Dans le premier cas, le bois est mélangé à l'agglomérat de déchets plastiques et passé dans une extrudeuse de façon à obtenir un compound (Cl) homogène qui est transformé en granulés du type utilisé dans les presses à injecter (figure 1). Dans le second cas, le produit final est constitué d'agglomérats de bois et de plastique pouvant être utilisés tels quels dans une presse à injecter (figure 2). Les particules de bois (PB) sont modifiées chimiquement selon le processus faisant l'objet du brevet de la société CEREMAP cité plus haut, et consistant à mélanger de la sciure ou de la farine de bois avec un copolymère comportant au moins un composant assurant la compatibilité avec des matrices thermoplastiques comme les polyoléfines, le polystyrène, le polychlorure de vinyle ou des matières thermodurcissables comme les époxydes, les polyesters. Les déchets de matière plastique (DP) peuvent se présenter sous forme de films, sacs, objets divers, etc, et sont utilisés sans purification préalable généralement sans être séparés. Il s'agit de polymères thermoplastiques constitues surtout polyoléfine, de polyéthylène haute et basse densité ou linéaires, polypropylene ainsi que de leurs copolymères et de leurs mélanges. lis peuvent être de différents types, grades, masse moléculaire, indice de fluidité, être chargés ou non, colorés ou non, plastifiés ou non. D'autres polymères, tels que PET, PVC, PS, EVA, PVA, PC, ABS PTFE, PMMA, sont présents dans ces déchets de matière plastique dans des quantites plus faibles. La matière plastique peut également être constituée uniquement des polymères purs, polyoléfines de préférence. Le broyage (Br) des déchets plastiques peut être réalisé avec des broyeurs tous types. Toutefois, il sera utilisé de préférence un broyeur à couteaux. L'opération est effectuée à température ambiante et l'on obtient des paillettes flocons de taille de quelques dizaines à quelques centaines de pm. L'objectif de l'agglomération est d'augmenter la densité apparente des paillettes obtenues à l'étape précédente. Ces paillettes présentent une densité de l'o rd re à 40 kg/m'. Au cours de cette étape, leur densité passe à environ 400 kg/m'. Cette transformation permet de faciliter la mise en oeuvre de ces déchets assurant alimentation régulière des machines de type presse à injecter extrudeuse,. La matière subit un échauffement jusqu'à sa température de ramollisse ment. Cet échauffement est provoqué par des phénomènes de friction avec un apport de chaleur (généralement entre 80 et 130'C). La température d'agglomération étant inférieure à la température de fusion, ce procédé n'entraîne pas la dégradation thermique des polymères. Les paillettes de déchets plastiques seront avantageusement compactées dans un agglomérateur semi-continu comportant une cuve dans laquelle sont disposées des pales inclinées et des contre-pales. L'alimentation s'effectue de manière automatique en semi-continu. Lorsque la plastification du matériau par les pales est atteinte, produit refroidi brusquement au moyen d'une rampe d'aspersion d'eau froide. rotation pales continuant, le produit est alors fragmenté sous forme d'agglomérat de quelques millimètres (inférieur à 10 mm). Les agglomérats sont expulsés de l'équipement à chaud (30-60'C). Dans le cadre de la présente invention, le même appareil peut être utilisé également pour la fabrication de "compounds" (composites) polymères-bois. Dans ce cas, les particules de bois (PB) modifié sont mélangées aux déchets plastiques (DP) préalablement broyés et l'ensemble est introduit dans l'agglomérateur. L'opération dure de 5 à 10 minutes et s'effectue à une température del 00 ' 20'C. Le produit ainsi obtenu se présente sous la forme d'agglomérats quelques millimètres de diamètre et pouvant être facilement transformés par techniques classiques de mise en oeuvre telles que les presses à injecter ou extrudeuses. Dans le but d'obtenir une meilleure liaison entre le bois et le polymère, l'association des particules de bois (PB) et des déchets plastiques (DP) peut s'effectuer à l'état fondu dans une extrudeuse (Ext), alors que dans l'agglomérateur, le polymere n'est que ramolli. L'extrusion est une technique de transformation des matières thermoplastiques qui permet d'obtenir des objets finis ou semi-finis par un procède continu. matière est introduite par une trémie pour passer dans un groupe plastification qui comporte une ou deux vis sans fin dans un fourreau chauffé. Elle brassée, chauffée, malaxée, mise en pression et poussée en continu à travers une filière qui va déterminer la forme du produit Gonc, tube, profilé, plaque). La vis assure plusieurs fonctions. Tout d'abord elle assure la fusion mais aussi le mélange et le transport de la matière à l'état fondu vers la filière. La vitesse de rotation produit un cisaillement de la matière à l'état fondu permettant d'obtenir un produit visqueux homogène. Les extrudeuses bi-vis permettent des capacités de mélange supérieures à celles d'une machine mono-vis par interaction d'une vis avec l'autre ainsi qu'un meilleur contrôle de la distribution des temps de séjour. Les extrudeuses vis peuvent être tangentielles ou interpénétrées, contra ou corotatives. A l'interface polymère - bois modifié, différents types de liaisons vont avoir lieu - essentiellement de type dipôle/dipôle, Van Der Walls et hydrogène. substances à chaînes grasses (avec Cri n≥8) qui sont fixées sur la surface du bois modifié, ayant une grande affinité chimique avec les macromolécules de polyoléfines, assurent une bonne adhésion interfaciale. L'amélioration de l'adhésion conduit améliorer nettement les propriétés mécaniques du "compound" ainsi obtenu. Le traitement du mélange bois - polymère peut s'effectuer dans extrudeuses mono-vis ou bi-vis, à une température s'étageant de 120 à 1500C entre l'entrée (E) et la sortie (S). La vitesse de rotation sera de l'ordre de 50 tour/min pour mono-vis et de 100 à 200 tour/min pour une bi-vis. Ces conditions sont déterminées en fonction des propriétés thermiques du plastique à traiter (point de fusion, cristallinité, température de décomposition, indice de fluidité) et en fonction des caractéristiques du bois modifié. Dans les deux cas, mono-vis et bi-vis, le produit obtenu se présente sous la forme de joncs qui sont refroidis et granulés par des moyens connus (coupés dans une granulatrice). Au cours de cette transformation, la matrice polymère est entièrement à l'état fondu, ainsi les particules de bois modifiées sont mieux dispersées dans matrice polymère. Lors de cette étape, il est possible de prévoir l'ajout de charges minérales et d'additifs, et en particulier : - poudre de carbonate de calcium provenant des déchets conchylico (conchyliculture) préalablement Inertés" et micronisés,. Granulométrie : 300 pm à 5 mm, quantité: 1 - 5 % en poids. Cette charge stabilise le compound polymère- bois modifié et améliore les performances mécaniques (rigidité), la poudre neutralise même temps les micro-quantités des différents acides qui peuvent se libérer au cours de l'extrusion. - colorants, stabilisants ou antioxydants, quantité : 0,1 - 1 Le compound ainsi obtenu comprend 55 à 90% de matrice polymère 9 à 45% de bois, 1 à 5% de charge minérale et 0, 1 à 1 % d'additifs. Les deux exemples ci-après sont donnés à titre indicatif et permettront de mieux comprendre le déroulement des différentes étapes dans les deux variantes du procédé selon l'invention. Les essais réalisés ont permis de mesurer la modification des caractéristiques des matériaux obtenus par rapport à celles des polymères sans ajout de particules de bois. Les essais mécaniques ont pour but de caractériser les matières obtenues après leur mise en forme. Grâce à ces mesures, on peut comparer les propriétes des composites entre eux, et ainsi prévoir des applications en fonction de leurs caractéristiques. Les essais de traction permettent de déterminer les résistances et les déformations que présentent les éprouvettes de matériaux soumises à des contraintes longitudinales qui tendent à les allonger, souvent jusqu'à la rupture. Les essais de flexion permettent de déterminer les résistances et les déformations que présentent les éprouvettes de matériaux soumises à une contrainte centrale afin de les faire fléchir. Exemple 1 : Compound obtenu par transformation pseudo solide dans un agglomérateur. Les déchets de plastiques (DP) constitués d'au moins 90% poids de polyoléfine sont préalablement broyés sous forme de paillettes avant d'être introduits dans l'agglomérateur (Ag) en même temps que la sciure de bois (PB) modifiée chimiquement. La teneur en sciure de bois modifiée est de 15% en poids de l'ensemble. (Figure 2). Conditions opératoires : Température : 130"C ; Durée : 15 min Le compound (C2) obtenu se présente sous la forme d'agglomérats de quelques millimètres de diamètre. Ces agglomérats sont introduits dans presse à injecter pour être moulés sous forme d'éprouvettes ISO 1. Résultats des essais mécaniques sur éprouvettes : 100% déchets pla5tiques 85% plastique+15% ois Module traction 280 875 MPa Contrainte traction max 12,4 16 MPa Contrainte rupture : 10,7 7,4 MPa Module en flexion : 282 603 MPa Contrainte flexion max: 9 19,6 MPa Contrainte flexion à la flèche 5,5 14,9 MPa Les résultats des essais mécaniques montrent une forte amelioration des modules en traction et en flexion (multipliés par deux ou par trois). ce qui concerne les contraintes en traction, on note une augmentation de la contrainte maximale, mais une diminution de la contrainte à la rupture. Les contraintes flexion du compound déchets plastiques agglomérés + bois modifié augmentent fortement en présence de bois modifié. L'introduction de particules de bois (PB) modifiées lors l'étape d'agglomération des déchets de plastiques permet d'obtenir un matériau possède des propriétés mécaniques améliorées par rapport à celles des déchets plastiques seuls agglomérés. Exemple 2 - Compound obtenu par transformation étant fondu dans une extrudeuse. Les déchets de matière plastique (DP) identiques à ceux de l'exemple 1 sont broyés avant d'être introduits dans l'agglomérateur (Ag). La température à laquelle s'effectue l'agglomération est fixée à 1200C. Au bout de dix minutes, on obtient un produit aggloméré nettement plus dense que les paillettes. Ensuite les agglomérats quelques millimètres de diamètre et les particules de bois (PB) modi fiées chimiquement sont introduits ensemble dans la trémie d'une extrudeuse (Ext) mono-vis dont le diamètre de la vis est égal à 60 mm (figure 1). Le mélange est constitué, en poids, de 60% d'agglomérats et de 40% de sciure de bois modifiée chimiquement (type épicéa, granulométrie 530-750 pm, densité 0, 14 à 0, 19 gr/cm2). L'extrusion est réalisée en utilisant le profil de tempéra ture suivant : Température à l'entrée de l'extrudeuse (E) : 120'C. Température de la matière à la sortie (S) 150'C. Les conditions opératoires utilisées sont - Vitesse de rotation de la vis : 50 tr/min - Débit: 100 kg/h - Vis polyoléfine avec profil vis malaxant Le compound (CI) sort de la filière sous forme de joncs qui sont refroidis avant d'être granulés. Ces granulés sont ensuite introduits dans la trémie de la presse à injecter pour être moulés sous forme d'éprouvettes ISO 1. Résultats essais mécaniques sur éprouvettes. 100% déchets plastiques 60% plastique+40% bois Module traction 280 1 Mpa Contrainte traction max 12,4 1 Mpa Contrainte rupture 10,7 Mpa Module en flexion: 282 1 Mpa Contrainte flexion max: 9 Mpa Contrainte flexion à la flèche 5,5 16,0 MPa Les résultats des essais mécaniques montrent forte amélioration des modules en traction et en flexion (multipliés par quatre), légère augmentation des contraintes en traction. On remarque que les contraintes flexion du compound déchets plastiques agglomérés + bois modifié sont très supérieures à celles des déchets plastiques agglomérés seuls. REVENDICATIONS . Procédé de fabrication d'un compound constitué de particules de bois intégrées dans une matrice de matière plastique, ayant pour objet la réalisation de matériaux composites formés de polymères synthétiques thermoplastiques ou thermodurcissables intégrant des charges, et destinés en particulier à la fabrication d'objets variés moyen de presses à injecter ou d'extrudeuses, caractérisé en ce que l'on associe des polymères synthétiques avec des particules bois (PB) modifiées chimiquement pour être compatibles avec lesdits polymères, ceux-ci étant préalablement broyés (Br), puis agglomérées (Ag) de manière à augmenter leur densité, les particules de bois étant mélangées aux polymères avant après l'agglomération. . Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait les particules bois (PB) modifiées chimiquement sont mélangées avec polymères synthétiques avant agglomération (Ag), le produit final à la sortie l'agglomérateur étant un compound (C2) constitué d'agglomérats pouvant être utilisés tels quels dans une presse à injecter et constitués de matière plastique à l'intérieur de laquelle se trouvent les particules de bois et de plastique. 3'. Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que les particules bois (PB) modifiées chimiquement sont mélangées avec les polymères synthetiques après agglomération de ces derniers, le mélange obtenu auquel il peut être ajouté des charges minérales et des additifs tels que colorants stabilisants ou antioxydants, étant passé dans une extrudeuse (Ext) mono-vis ou bi-vis de façon à obtenir un compound (Cl) homogène sous forme de produits semi-finis. 40. Procédé selon la revendication 3, se caractérisant par le fait qu'il est ajouté avant extrusion au mélange bois-polymères 1 à 5% en poids d'une charge minérale constituée de poudre de carbonate de calcium provenant des déchets conchylicoles préalablement rendus inertes et micronisés d'une granulométrie de 300 pm à 1,5 mm. 5". Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, se caractérisant par le fait que le compound (Cl) comprend 55 à 90% de matrice polymère 9 à 45% de bois, 1 à 5% de charges minérales et 0, 1 à 1 % d'additifs. 6'. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, se caractérisant par le fait que le traitement du mélange bois-polymères s'effectue dans l'extrudeuse (Ext) à une température s'étageant de 120 à 1500C entre l'entrée (E) et sortie (S) de manière à ce que la matrice polymère soit entièrement à l'état fondu, vitesse de rotation étant voisine de 50 tours/min pour une extrudeuse mono-vis 100 à 200 tours/min pour une extrudeuse bi-vis. 70. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisant par le fait que les produits semi-finis sortant de l'extrudeuse (Ext) sont constitués de joncs transformés par des moyens connus en granulés aptes à être utilisés dans des presses à injecter. 80. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que le broyage (Br) des polymères synthétiques est réalisé à température ambiante au moyen d'un broyeur à couteaux. 9'. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'agglomération (Ag) des polymères synthétiques ou mélange de polymères synthétiques et de particules de bois (PB) modifiées chimiquement est réalisé à une température de 80 à 130'C inférieure à la température de fusion des polymères synthétiques au moyen d'un agglomérateur comportant cuve dans laquelle sont disposées des pales inclinées et des contre-pales, le contenu étant refroidi brusquement au moyen d'une rampe d'aspersion d'eau froide lorsque la plastification du matériau par les pales est atteinte, de manière à ce que ce contenu soit fragmenté sous forme d'agglomérats d'une granulométrie inférieure à 5 millimètres. 10 ". Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'agglomérateur est agencé de façon à ce que les agglomérats de polymères synthétiques, ou du mélange de polymères synthétiques de particules de bois (PB) modifiées chimiquement, présentent après agglomération densité d'environ 400 kg/m'. 11 ". Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les polymères synthétiques sont constitués de déchets de matières plastiques (DP) pouvant se présenter sous la forme de films sacs, objets divers utilisés sans purification préalable et généralement sans être séparés. 12'. Procédé selon la revendication 7, se caractérisant le fait que les déchets de matières plastiques (DP) sont formés de polymères thermoplastiques constitués surtout de polyoléfine, de polyéthylène haute et basse densite ou linéaires, polypropylène ainsi que de leurs copolymères et de leurs mélanges. 130. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisant par le fait que les particules de bois (PB) utilisées sont préalablement modifiées chimiquement selon un processus consistant à effectuer la synthèse radicalaire d'un copolymère formé d'au moins un composant réagissant avec les groupes hydroxyles (OH) de la cellulose du bois, d'au moins un composant assurant compatibilité avec des matrices thermoplastiques comme les polyoléfines, le polystyrène, le polychlorure de vinyle ou des réactions chimiques avec matières thermodurcissables comme les résines de type époxyde ou polyester et moins composant pour réguler les propriétés telles que l'hydrophobie et la résistance aux bactéries.