Brevet FR2838736A1 — publié le 20031024

de filtration. 1 2838736 - La presente invention se rapporte a un nouveau procede d'obtention de produits ceramiques fabriques a partir d'une matiere en feuille contenant des particules. Les procedes classiques d' elaboration de structures ceramiques consistent en trots etapes essentielles: - la preparation de la pate, la mise en forme, - la cuisson. Dans ces procedes classiques, on prepare la pate ceramique a partir de mineraux argileux, dont le plus courant est le kaolin. Le materiau argileux est d'abord broye et reduit en poudre, avant d'etre mis en forme. La mise en forme elle-meme se fait en general par moulage et pressage. Toutefois, ces processus classiques se caracterisent par un certain nombre d'inconvenients. D'une part, les produits obtenus vent tres denses et done tres lourds. Cette caracteristique ne permet pas non plus de fournir des materiaux de construction a base de ceramique qui soient a la fois legers, bon marche et facilement transportables. D'autre part, lors d'une mise en forme de ces materiaux ceramiques traditionnels en une structure tridimensionnelle, il se produit souvent des craquelures et des fissures durant le frittage. 2 2838736 Ceci est une autre consequence de la densite trop importante a certains endroits soumis a une compression lors de l'etape de mise en forme. Finalement, il s'agit de constater que, du fait de ['absence de liant effcace, les poudres agglomerees ou l es produits humides extrudes ou press es ne vent s pas suffisamment solides pour etre manipulees facilement apres leur mise en forme, notamment dans le cas de plaques dont les dimensions permettent de couvrir une surface d'au moins 0,1 m2. De ce fait, seules des plaques ceramiques dont les dimensions permettent de couvrir une surface d'au plus 0,1 m2 vent disponibles a l'heure actuelle, les cites plaques ayant en outre ['inconvenient d'etre epaisses pour compenser leur manque de cohesion et offrir une resistance suffisante pour leur manipulation. Dans l'art anterieur, il est par ailleurs decrit la fabrication de produits ceramiques par vole papetiere associant des particules minerales destinees a etre frittees a des fibres cellulosiques susceptibles d'etre eliminees par combustion en vue de la formation desdits produits ceramiques. Cette methode offre le double avantage de conferer a la structure ceramique avant cuisson une flexibilite et une cohesion interne superieure aux ceramiques traditionnelles, et d' alleger la structure ceramique apres cuisson en creant des pores dans la ceramique aux endroits occupes par les fibres cellulosiques. Cette structure, que l'on qualifiera de >, a deja fait ['objet de brevets anterieurs, notamment les brevets FR 2 212 777, EP 73 854, US 4 383 890 ou FR 2 122 220. 3 2838736 Dans les brevets FR 2 212 777, EP 73 854, et US 4 383 890, il est envisage notamment de melanger une pate fibreuse de cellulose a des particules fines norgamques. Cette technique a pour but en fait d'eviter l'emploi de liant du type elastomere et latex, d'agents fixateurs, et d'agents de coagulation polymeres et permet d'obtenir des plaques ceramiques de plus grandes dimensions. Toutefois, la Demanderesse constate que ces brevets envisagent generalement une modification chimique des fibres cellulosiques avant leur melange a la matiere minerale. Ceci constitue un frein important a une mise en oeuvre simple et peu onereuse desdites methodes industrielles. La Demanderesse constate egalement que ces brevets anciens et, pour la plupart, tombes dans le domaine public n'ont pas fait ['objet, a sa connaissance, d'exploitation industrielle serieuse. Wile a par ailleurs constate par elle-meme, suite a divers essais industrials, que les procedes decrits dans ces brevets presentaient deux inconvenients majeurs: d'une part, un probleme d'egouttage insuffisant, notamment aux grammages eleves, d'autre part, une cohesion humide du papier encore insuffisante en sortie de machine a papier. L'obtention de plaques ceramiques possedant une epaisseur de plusieurs millimetres s'est avere, en outre, impossible a obtenir par un procede classique de 4 2838736 formation de papier, sans prevoir un contrecollage ulterieur de plusieurs desdites feuilles obtenues. Cette solution nta pourtant pas permis d'obtenir des plaques ceramiques a moindre cout et ne presentant pas de defauts apres cuisson, tels que fssures ou s decollement en epaisseur. Sur la base de ces constations, la demanderesse propose un nouveau procede de formation de pate ceramique, qui ne necessiterait pas de modifier chimiquement les fibres cellulosiques, et qui mettrait en ceuvre un dispositif de mise en forme de cette pate ceramique autre que les dispositifs classiques de formation de papier, tels que les machines Foudrinier a table plate ou les machines a forme ronde type Duoformer ou similaires. A cet effet, la demanderesse a eu l'idee d'utiliser et d'adapter un dispositif de formation de support fibrocimentaire a la fabrication de ces dits ceramlques >>. Ces machines vent connues de l'homme du metier sous la denomination >, du nom de leur fabricant. Une de ces machines a notamment fait ['objet du brevet FR 2 305 539, depose en 1976. La demanderesse utilise le principe general decrit dans ce brevet pour la fabrication de ces >. Ce principe repose sur l'utilisation d'une serie de formes rondes tournant a vitesse elevee dans des bacs contenant la composition fibreuse, les bacs etant munis d'agitateurs pour maintenir la charge minerale en suspension, les couches fibreuses 2838736 etant superposees sur une toile en defilement continu possedant une serie de dispositifs d'egouttage sur son parcours et amenees jusqu'a un rouleau accumulateur, qui stocke les couches superposees jusqu'a l'epaisseur voulue avant le decoupage en plaques et les traitements ulterieurs. L' application de ce principe de formation de feuilles fbrocimentaires n' a pas, a l'heure actuelle, ete etendue aux applications du type de celles envisagees par la demanderesse. Or, il s'avere que la formation des dits > a ['aide de ces machines HATSCHEK permet d'obtenir des caracteristiques de produits ceramiques obtenus a partir de ces papiers ceramiques superieures a celles des produits ceramiques obtenus a partir des papiers ceramiques de l'art anterieur et, ce, a des vitesses plus elevees et a un cout de mise en auvre moindre. Notamment, il a ete constate que l'epaisseur de ces produits ceramiques peut etre fortement reduite en ne mettant en ccuvre qu'une faible proportion de fibres cellulosiques, entre 5 et 12 % du poids total de pate ceramique. L'invention porte done sur un procede de fabrication d'objets formes en ceramique, notamment de panneaux de construction, obtenus a partir d'un melange de matieres minerales et de matieres organiques, les matieres organiques etant composees en majorite de fibres de cellulose, et la proportion desdites fbres de cellulose dans ledit melange ne depassant pas 15 % en poids see, et, de preference, etant comprise entre 5 et 12 % en poids sec. 6 2838736 Dans ce procede, la suspension obtenue a partir audit melange subit une etape de deshydratation effectuee au moyen d'une machine de deshydratation par le procede d'enroulement pour en former des panneaux. La machine de deshydratation pourra etre de facon avantageuse une machine cite Hatschek. Les particules minerales vent choisies parmi l'argile, la silice, le feldspath, la pyrophilitte, la dolomie, le calcaire, le kaolin, l'email et leurs melanges. Les particules minerales pourront se presenter sous la forme d'une barbotine, melange de silice, de feldspath et de kaolin. Les particules minerales pourront etre de maniere specifique un melange d'email et d'une barbotine obtenue en melangeant de la silice, du feldspath et du kaolin. La proportion de matiere minerale dans ledit melange pourra etre au moins de 80 % en poids sec. La suspension ainsi deshydratee subira ensuite une etape de pressage ou de mise en forme pour obtenir la forme voulue de ['objet. La suspension ainsi obtenue subira ensuite apres sechage un traitement thermique destine a eliminer par combustion les fibres cellulosiques et autres composants organiques. De preference, le traitement thermique pourra servir egalement a fritter la matiere minerale. L 'invention porte egalement sur un obj et en ceramique obtenu par le procede de fabrication decrit ci-dessus. 7 2838736 De maniere specifique, ['invention porte sur un panneau ceramique couvrant une surface d'au moins 0,1 m2 obtenu par le procede de fabrication decrit ci dessus. D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention ressortiront a la lecture de la description detaillee qui va suivre. - la figure 1 represente de maniere schematique une machine cite HATSCHEK, On a represente sur la figure 1 une machine cite HATSCHEK telle qu'elle a ete mise en aeuvre dans les essais preparatoires qui ont about) a ['invention. Selon cette configuration, une feuille (1) est formee par transfert d'une suspension vers un feutre d'extraction (2) au moyen d'un cylindre a mailles (3) dispose dans une cuve de suspension (4), cette operation etant repetee autant de fois qu'il y a de cuves ou de cylindres circulaires a mailles pour former un jet d' extraction, ce jet etant ensuite enroule autour du rouleau de formation (5) un nombre precis de fois jusqu'a ce qu'il atteigne une epaisseur specifique, avant d'etre decoupe. La structure ceramique obtenue subit ensuite un procede de faconnage et de sechage conforme a celui des materiaux ceramiques traditionnels. Le faconnage se fait par pressage de la structure ceramique dans un motile, dont la forme doit permettre d'aboutir a des objets de formes tres diverges. Du fait de la presence des fibres cellulosiques, la structure ceramique acquiert une flexibilite accrue et, de ce fait, est susceptible d'etre decoupee ou deformee sans que des phenomenes d'ecaillage et de craquelure de la couche composee des particules fines inorganiques se produisent. 8 2838736 De la sorte, le papier resultant pourra etre forme jusqu'a une certaine amplitude pour des objets particuliers et permettre principalement d'obtenir des plaques et objets ceramiques de plus grandes surfaces et de plus faible epaisseur qu'avec les techniques traditionnelles. La structure ainsi mi s e en forme garde encore une poro site imp ortante, pouvant aller de 40 a 60 % du volume total, avec des proprietes mecaniques limitees. I1 est ensuite necessaire d'operer un frittage, ctest-a-dire de traiter a haute temperature la structure ceramique de facon a donner au produit fini une bonne ... coheson mecanque. Lors du frittage, les particules se rapprochent et se soudent: ltobjet se densifie avec diminution de la porosite et retrait lineaire de 10 a 20 %. Dans les procedes modernes, cette cuisson a haute temperature se fait autour de 1 100 a 1500 C, temperature dependent directement de la nature des composants mineraux a fritter. L'invention se demarque de cet art anterieur par la necessite de decomposer la cuisson en deux temps, d'abord une cuisson prealable a une temperature comprise entre 500 et 800 C, destinee a eliminer les composes cellulosiques de la structure, et, en-quite, le frittage proprement cit. La structure finale comprend de ce fait un tres grand nombre de pores ou interstices distribues de facon desordonnee dans cette structure, comme resultat de la combustion de la cellulose pendant la cuisson prealable. 9 2838736 Wile conserve la forme qui etait la sienne apres la mise en forme et sa resistance mecanique est comparable a celle d'une structure de meme forme faite d'argile cuite de forme pleine. On comprendra mieux la presente invention a la lecture des exemples qui suivent, donnes a titre indicatif et ne limitant en rien la portee de ['invention. Exemples 1 a 3: On melange dans de l'eau et on agite bien pour obtenir une suspension aqueuse, des fibres de cellulose et de la barbotine. La matiere cellulosique utilisee est constituee essentiellement de fbres courses raffinees a 34 SR. La barbotine utilisee est du type > a cuisson rapide, renfermant principalement un melange d'environ 45 % d'argiles allemandes et d' environ 55 % de Feldspath sodique. Les poudres ont ete broyees en humide sur materiel type ALSING jusqu'a une granulometrie moyenne de l'ordre de 12 m, avec addition d'un agent de floculation, notamment du phosphate trisodique dans les proportions de 2 parties de phosphate trisodique pour 1000 parties de poudre. Dans les exemples 1 a 3, on a fait varier le pourcentage en poids sec de la cellulose par rapport a celui de la barbotine. De ce fait, le pourcentage en poids sec de cellulose dans le melange est respectivement de 10%, 6% et 8% dans les exemples 1 a 3. 2838736 A cette suspension aqueuse, on ajoute en tete de machine un floculant PERCOL prepare a 0,25 g/l, dans la proportion de 200 g de PERCOL pour une tonne de melange sec. On introduit le melange obtenu dans les cuves de suspension d'une machine HATSCHEK, la machine ayant une vitesse de 20 m/mint La suspension est ensuite egouttee et enroulee sur un rouleau d' accumulation avant d'etre decoupee au format adequat, mise en forme et cuite pour l'obtention du produit ceramique. La cuisson s'opere en deux temps, d'une part, une elimination des composes organiques entre 500 et 800 C, d'autre part, un frittage des matieres minerales vers 1230 C. Le tableau 1 montre les resultats des mesures faites sur le produit ceramique obtenu avant la mise en forme et les observations au sujet de ces trots essais. TABLEAU 1 EXEMPLE 1 EXEMPLE 2 EXEMPLE 3 Nb de couches 16 18 25 Epaisseur ( en mm) 3,5 4,6 4,6 % en poids sec de fibres de cellulose 10 % 6 % 8 % dans le melange Densite seche ( en 1, 05 1,13 1,1 1 g/cm3) Densite humide ( en 1,62 1,69 1,66 g/cm3) 11 2838736 % humidite 35,1 33,1 32,9 grammage( en g/m2) 3050 1 3650 3200 Egouttabilite Tres bonne Acceptable Tres bonne Adhesion au Tres bonne Tres bonne Tres bonne cylmdre enrouleur Decrochage du Aucun Aucun Aucun carton du cylindre enrouleur Taux de cendres 87 89, 4 86,6 ( en %) Exemples 4 et 5: On melange dans de l'eau et on agite bien pour obtenir une suspension aqueuse, des fbres de cellulose et de la barbotine. La matiere cellulosique utilisee est constituee essentiellement de fbres courses raffinee a 34 SR. La barbotine utilisee est un melange de 50 % de poudre minerale du type > utilisee dans les exemples precedents et de 50 /O de poudre de verre et feldspath, en vue de parvenir a une temperature de frittage inferieure a celle des melanges 1 a 3 Dans les exemples 4 et 5, on ne fait pas varier le pourcentage en poids sec de la cellulose par rapport a celui de la barbotine. De ce fait, le pourcentage en cellulose est de 8% en poids sec dans les exemples 4 et 12 2838736 A cette suspension aqueuse, on ajoute en tete de machine un floculant PERCOL prepare a 0,25 g/l, dans la proportion de 200 g de PERCOL pour une tonne de melange sec. On introduit le melange obtenu dans les cuves de suspension d'une machine HATSCHEK, la machine ayant une vitesse de 20 m/mint La suspension est ensuite egouttee et enroulee sur un rouleau d' accumulation avant d'etre decoupe au format adequat, mise en forme et cuite pour l'obtention du produit ceramlque. La cuisson stopere en deux temps, d'une part, une elimination des composes organiques enke 500 et 800 C, d'autre part, un frittage des matieres minerales vers 1 120 C. Au cours du processus d'egouttage, on a utilise un seul bac a vice dans l'exemple 5 et deux bacs a vice dans l'exemple 6, pour reduire l'humidite a l'enroulement des brins et done favoriser les conditions de sechage ulterieures. Les observations faites sur le produit ceramique obtenu permettent de constater que les resultats positifs, en terme d'egouttabilite et de retention de charge notamment, obtenus aux essais precedents vent maintenus. La temperature de frittage a ete de plus abaissee de maniere avantageuse par rapport aux essais precedents, passant de 1230 C a 1120 C. Exemple 6 comparatif: On melange dans de l'eau et on agite bien pour obtenir une suspension aqueuse, des fibres de cellulose, une composition de latex flocule et de la barbotine. 13 2838736 La matiere cellulosique utilisee est constituee essentiellement de fbres courses raffinees a 34 SR. Le latex Europrene E404 a egalement pour role de retenir les charges minerales. La barbotine utilisee est une poudre minerale commercialisee par Novoceram sous la s reference B30. Le pourcentage en poids sec de cellulose dans le melange est txe a =/O. Le pourcentage en poids sec de latex dans le melange est. quant a lui, fixe a =/O. On introduit le melange obtenu dans une machine >, qui correspond a une machine table plate traditionnelle terminee par un cylindre enroueur, 1U ayant une vitesse de 40 m/mint Le grammage de la feuille atteim en sorlle ae mavlllllv - alL'l vlllpll Gllblv "VV vL 500 g/m. Le process" - '--l -v Iv A conformes aux exemples precedents pour aboutir au produit ceramique fmal. Cet essai a permis de constater une retention de charges tres faibles, aboutissa taux de cendres d'environ 62 %. L'egouttabilite et la cohesion hu De plus, apres enroulage, le papier a tendance a adherer au cylindre en ntrane des difficultes lors du deroulage. Ces essais permettent done de confrmer le reel interet d'utiliser une machine a forme ronde et cylindre accumulateur en fm de machine, du type HATSCHEK, pour la formation d'une plaque ceramique avant sa mise en forme et sa cuisson. 14 2838736 REVENDICATIONS 1) Procede de fabrication d' objets formes en ceramique, notamment de panneaux de construction, obtenus a partir d'un melange de matieres minerales et de matieres organiques, dans lequel les matieres organiques vent composees en majorite de fibres de cellulose, caracterise en ce que la proportion de fibres de cellulose dans ledit melange est au plus egale a 15 % en poids sec et est. de preference, comprise entre 5 et 12 % en poids sec. 2) Procede de fabrication selon la revendication 1, caracterise en ce que la suspension obtenue a partir audit melange subit une etape de deshydratation effectuee au moyen d'une machine de deshydratation par le procede d'enroulement pour en former des panneaux. 3) Procede de fabrication selon la revendication 2, caracterise en ce que la machine de deshydratation est une machine cite Hatschek. 4) Procede de fabrication selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que les particules minerales vent choisies parmi l'argile, la silice, le feldspath, la pyrophilitte, la dolomie, le calcaire, le kaolin, l'email et leurs melanges. 2838736 ) Pro cede de fabri c ati on sel on la revendi cati on pre ce dente, caracterise en ce que les particules minerales se presentent sous la forme d'une barbotine, melange de silice, de feldspath et de kaolin. 6) Procede de fabrication selon la revendication 4, caracterise en ce que les particules minerales vent un melange d'email et d'une barbotine obtenue en melangeant de la silice, du feldspath et du kaolin. 7) Procede de fabrication selon la revendication 6, caracteri s e en ce que la prop orti on de mati ere mineral e dans l edit melange est au moins de 80 % en poids sec. 8) Procede de fabrication selon l'une des revendications 2 et suivantes, caracterise en ce que la suspension ainsi deshydratee subit une etape de pressage ou de mise en forme pour obtenir la forme voulue de ['objet. 9) Procede de fabrication selon la revendication precedente, caracterise en ce que la suspension ainsi obtenue subit apres sechage un traitement thermique destine a eliminer par combustion les fibres cellulosiques, et autres composants organiques. ) Procede de fabrication selon la revendication precedente, caracterise en ce que le traitement thermique sert egalement a fritter la matiere minerale. 11) Objet en ceramique obtenu par le procede de fabrication selon l'une des revendications precedentes. 16 2838736 12) Panneau ceramique couvrant une surface d'au moins O,1 m2 obtenu par le precede de fabrication selon l'une des revendications 1 a 10.