Brevet FR2916382A1 — publié le 20081128

-1- La présente invention concerne un procédé de fabrication d'objets extrudés finis en particulier des profilés en matière thermoplastique, à aspect veiné et fibreux du bois Il existe des procédés d'extrusion de polymères thermoplastiques additionnés d'adjuvants et de colorants, afin d'imiter le bois, mais l'aspect veiné n'imite pas correctement le bois et donne un aspect plastique . Ainsi le brevet français n 2 101 956 décrit un procédé d'extrusion d'une composition en une structure cellulaire analogue au bois, à cellules fermées, résistante aux chocs, amincissable et clouable, et ayant une peau en formant partie intégrante. Cette composition comprend une résine vinylique particulière, un lubrifiant, un agent d'expansion et un système activateur constitué de thioglycolate d'organoétain et d'un sel de baryum d'un acide gras saturé ayant de 14 à 18 atomes de carbone. Cette composition est prémélangée dans un mélangeur classique à haute intensité, en introduisant les matières premières précitées dans un ordre déterminé, puis refroidie. Le prémélange pulvérulent obtenu est ensuite introduit dans une extrudeuse. Ce procédé d'extrusion, qui implique un prémélange à chaud des matières premières en vue de préparer une matière composite (le plus souvent désignée sous le vocable de compounds ) à l'état pulvérulent, est compliqué. En outre, le procédé d'extrusion décrit dans le brevet français n 2 101 956 ne permet pas d'obtenir un profilé ayant l'aspect veiné et fibreux du bois, en surface et à coeur. Dans le brevet européen n 46 579, pour obtenir un profilé à aspect veiné, il est préconisé de partir d'un mélange de polychlorure de vinyle, d'un polymère particulier comme des polyéthylènes chlorés et de divers adjuvants, en particulier des colorants, d'homogénéiser ce mélange à chaud à une température inférieure à la température de plastification, généralement jusqu'à 120 C, puis de refroidir le mélange à la température ambiante et enfin, de façon conventionnelle, de mouler par injection ou d'extruder le mélange. Ce procédé d'extrusion implique aussi un prémélange à chaud des matières premières en vue de préparer une matière composite (ou compounds). Ce procédé à plusieurs étapes est compliqué et, par conséquent, coûteux. En outre, il ne permet de fabriquer que des profilés à structure compacte. Un autre défaut majeur du procédé décrit dans ce brevet européen réside dans le fait que ces profilés ont généralement une coloration relativement homogène dans la masse. Dès lors, les veines sont à peine visibles, voire pas du tout. -2- Plus récemment, il a été décrit dans le brevet japonais JP 7214631, un procédé de fabrication par extrusion d'un bois synthétique comprenant les étapes principales suivantes : alimentation d'une extrudeuse avec une matière première constituée d'une résine thermoplastique synthétique colorée, une partie de cette résine ayant des nuances colorées correspondant au bois d'été et, l'autre partie, minoritaire, ayant des nuances colorées correspondant au bois d'hiver, extrusion de cette matière première et passage du flux fondu entre la sortie de l'extrudeuse et la filière, au travers d'un élément annulaire présentant une pluralité de passages. Le procédé décrit dans ce brevet japonais n'est prévu que pour un seul type de formule de résines thermoplastiques de départ. Aucun des brevets précités ne décrit un procédé de fabrication d'objets extrudés à aspect veiné et fibreux. La présente invention a pour objet un procédé ne présentant pas les 20 inconvénients des procédés précités. Ainsi, un objectif principal de l'invention est un procédé de fabrication d'objets extrudés dont on peut faire varier en continu l'intensité des couleurs, la densité et la structure pour obtenir soit une structure cellulaire homogène ou une 25 structure compacte, les objets extrudés obtenus ayant en outre un aspect fibreux bien marqué, en surface et dans la masse, imitant bien l'apparence externe et interne du bois. Un autre objectif important de l'invention est un procédé de fabrication d'objets 30 extrudés, à aspect veiné et fibreux bien marqué en surface et dans la masse, qui soit simple et reproductible, en particulier qui puisse être mis en oeuvre à partir de matières premières disponibles sur le marché. Un autre objectif important de l'invention est un procédé de fabrication d'objets 35 extrudés finis ou semi-ouvrés, pouvant être formés et/ou thermoformés et travaillés dans les mêmes conditions que le bois, par exemple, taillés, cloués, vissés, collés, peints, vernis, etc. -3-Conformément à la présente invention, on a trouvé un procédé de fabrication par extrusion d'objets, en particulier des profilés et des tubes, à base de polymères thermoplastiques, à aspect veiné et fibreux en surface et dans la masse, permettant d'atteindre les objectifs précités. Ce procédé consiste en une combinaison des quatre caractéristiques essentielles(1) et (4) qui suivent : (1) on utilise une extrudeuse bi-vis composée d'au moins trois zones fonctionnelles successives : une zone d'alimentation ou d'entrée, une zone centrale de compression (mise en température 150 ) et une zone de pompage ou de sortie, l'extrudeuse bi-vis étant suivie d'une filière, puis par des conformateurs, (2) en continu, on prépare à température ambiante un mélange homogène et on introduit le mélange homogène obtenu dans la zone d'alimentation de l'extrudeuse, le mélange homogène comprenant : • Une matrice polymère thermoplastique, • Des fibres de chanvre • De la farine d'épicéa La température de consigne de l'extrudeuse dans la zone est d'environ de 150 à155 . (3) On règle la température de consigne de l'extrudeuse au niveau de la zone de compression à une valeur inférieure ou égale à la température de fusion des polymères thermoplastiques, et, au niveau de la zone de pompage, à une valeur supérieure à la température de fusion des polymères thermoplastiques, le temps de séjour du mélange dans l'extrudeuse étant adapté en vue d'obtenir un mélange fondu et malaxé de façon hétérogène en sortie de l'extrudeuse, (4) Puis on divise le flux sortant de l'extrudeuse en au moins deux flux qui alimentent la filière puis les conformateurs. L'ensemble des conditions opératoires (1) à (3) précitées contribuent à l'obtention d'un mélange fondu et malaxé de façon hétérogène en sortie de l'extrudeuse. L'étape (4) du procédé permet d'obtenir l'aspect fibreux. -4- L'extrudeuse bi-vis présente l'une ou l'autre des deux caractéristiques techniques (a) et(b) qui suivent : (a) la longueur (L) de la bi-vis varie d'environ 20 à environ 28 diamètres (D), (b) Le taux de compression dans la zone de compression de la bi-vis varie d'environ 1,5 à environ 2,5. Le taux de compression correspond au rapport du diamètre du noyau de la bi-vis dans la zone d'alimentation. De préférence, la bi-vis vérifie à la fois les caractéristiques (a) et (b) précitées. L'introduction du mélange homogène dans l'extrudeuse, sont effectués en continu, sans interruption dans le temps, afin de limiter, voire d'éliminer, les phénomènes de ségrégation dans le mélange homogène. De préférence, dans le cadre du procédé selon l'invention, aucune matière première n'est introduite séparément des autres matières premières dans l'extrudeuse bi-vis. Par conséquent, l'introduction des matières premières dans l'extrudeuse est de préférence prévue uniquement au niveau de la zone d'alimentation. Le mélange homogène comprend une matrice à base de polymères thermoplastiques, étant adjuvanté et de couleur différente, un renfort composé de fibres de chanvre et de farine de bois. Les couleurs du polymère peuvent varier du blanc au noir (en passant, notamment par les jaunes, ocres, verts, rouges, bleus, bruns, etc...). Les quantités et les couleurs sont adaptées en fonction des nuances colorées que l'on cherche à obtenir pour imiter un bois naturel. Pour les polymères thermoplastiques convenant à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut citer les polychlorures de vinyle, les copolymères acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS). Le choix du polymère thermoplastique est déterminé en fonction des propriétés mécaniques souhaitées pour les objets extrudés. Les polymères thermoplastiques préférés sont les polychlorures de vinyle. Les colorants et les éventuels adjuvants prévus sont choisis parmi ceux qui sont capables de supporter les conditions d'extrusion, en particulier parmi ceux35 -5- qui ne se décomposent pas aux températures prévues dans les différentes zones de l'extrudeuse double vis. Pour les polychlorures de vinyle, les adjuvants qui sont généralement prévus 5 dans la masse des composants sont des stabilisants, des lubrifiants, des colorants et éventuellement des plastifiants. On peut avoir également un agent anti-UV. La température de consigne de l'extrudeuse est réglée à une valeur inférieure à la température de fusion des polymères thermoplastiques. 10 Dans le cas de polychlorure de vinyle, cette température varie avantageusement de 150 à 155 C. - La température de consigne de l'extrudeuse, au niveau de la zone de 15 compression, est inférieure d'au plus 25 C ou sensiblement égale à la température de fusion des polymères thermoplastiques et, - La température de consigne de l'extrudeuse, au niveau de la zone de pompage, est : • Supérieure d'au plus 25 C à la température de fusion des polymères 20 thermoplastiques, dans la majeure partie de la zone de pompage, • Supérieure d'au moins 25 C à la température de fusion des polymères thermoplastiques, dans la partie finale de la zone de pompage, proche de la sortie de l'extrudeuse. 25 Dans le cas où les composants sont à base de polychlorure de vinyle, la température de consigne de l'extrudeuse varie avantageusement : -d'environ 150 C à environ 155 C dans la zone d'alimentation - d'environ 150 C à environ 160 C dans la zone de compression, d'environ 170 C à environ 180 C dans la majeure partie de la zone de 30 pompage d'environ 185 C à environ 195 C dans la partie finale de la zone de pompage, proche de la sortie de l'extrudeuse. Egalement, dans ce cas précis, le temps de séjour du mélange à base de 35 polychlorure de vinyle dans l'extrudeuse varie avantageusement entre environ 2 minutes et environ 5 minutes et est fonction de la géométrie et des dimensions de l'objet extrudé. -6- Conformément à une quatrième caractéristique essentielle de l'invention, en sortie de l'extrudeuse, on divise le flux sortant, constitué par le mélange fondu et malaxé de façon hétérogène, et on le divise en deux flux qui alimentent une filière puis un conformateur. Pour ce faire, on prévoit entre la fin de l'extrudeuse bi-vis et la filière des moyens pour diviser le flux de mélange fondu. Ces moyens peuvent être constitués par une bague à ailettes ou bien par une bague percée d'ouvertures de dimensions suffisantes pour ne pas freiner de façon sensible le flux, et en un nombre équivalent au nombre de flux souhaité. De préférence, on choisit une bague à ailettes fixes, les ailettes ayant une forme appropriée pour guider et diviser le flux de mélange fondu sans le freiner de façon sensible. L'installation industrielle utile pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est simple. Cette installation comprend, de préférence : 20 des moyens de dosage des matières premières à l'état solide et des moyens d'homogénéisation de ces matières premières. A titre d'exemple, on peut prévoir un appareil doseur et mélangeur relié à des trémies indépendantes contenant chacune l'une des matières 25 nécessaires à la préparation du mélange homogène, l'appareil doseur et mélangeur étant réglé en fonction de la composition préprogrammée du mélange homogène souhaité ; relié directement à l'appareil doseur et mélangeur, une extrudeuse bi-vis dont les caractéristiques préférentielles ont été décrites ci-dessus ; 30 en sortie de l'extrudeuse, des moyens de division du flux de mélange fondu et malaxé de façon hétérogène sortant de l'extrudeuse, en au moins deux flux qui alimentent une filière puis un conformateur de l'objet extrudé. De préférence, ces moyens de division de flux sont une bague à ailettes fixes. 35 Dans le cadre de l'invention, on n'utilise pas de grille de répartition comme moyen de division ou tout autre moyen équivalent favorisant l'homogénéisation du flux de mélange fondu.15 -7- Pour la fabrication d'objets extrudés pleins, on utilise une filière dite torpille sans poinçon. Pour la fabrication d'objets extrudés (tubes à section circulaire, carré, ...), on utilise une filière classique avec poinçon. Pour la fabrication de plaques ou de feuilles, on utilise une filière plate. Pour l'obtention d'un objet extrudé avec un aspect de surface veiné et fibreux, une filière classique, à poinçon est indispensable, de section inférieure par 10 rapport à l'entrée du conformateur. Le conformateur peut être prévu immédiatement après la sortie de la filière ou bien, le premier conformateur est proche de la filière de 10 à 12 mm. Le procédé selon l'invention permet de préparer des objets extrudés en 15 matières thermoplastiques, à aspect veiné et fibreux présentant les caractéristiques qui suivent : ils sont obtenus à partir d'un mélange polymère, farine de bois, fibre de chanvre, adjuvanté et de couleurs différentes. Ils ont une densité moyenne que l'on peut faire varier de 1, 2 à 0,8. 20 Ils peuvent être soumis à des opérations de formage et de thermoformage. Selon le cas les objets extrudés sont avantageusement creux ou pleins. 25 Les objets extrudés obtenus grâce au procédé selon l'invention, peuvent être utilisés partout où le bois est utilisé, par exemple pour fabriquer du mobilier, aussi bien d'extérieur que d'intérieur, et d'une manière générale, des pièces de section courante de toute nature fabriquées habituellement en bois ou en profilés plastiques. 30 L'invention sera encore illustrée, sans être aucunement limitée, par la description suivante d'un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple. 35 Exemple : fabrication d'un profilé de 25mm de diamètre. Le compound de polymères renforcés de fibres végétales naturelles et de farine de bois est introduit dans une extrudeuse bi-vis.5 -8- En outre, l'installation industrielle utilisée présente une extrudeuse comprenant une bi-vis de 60mm de diamètre et de longueur égale à 28 fois le diamètre. Le taux de compression dans la zone de compression est égal à 2. Les températures de l'extrudeuse sont : au niveau de la zone d'alimentation : 150 C au niveau de la zone de compression 155 C au niveau de la zone de pompage : 175 C et 195 C à proximité de la sortie de cette zone au niveau de la filière : 187 C. Le débit de matières dans l'extrudeuse est de 40kg par heure. La filière comprend, dans le sens de défilement du flux fondu : • Une bague de 4 ailettes fixes • Une filière de 25mm de diamètre le conformateur, tubulaire, de 25mm de diamètre est distant de moins de 0,1 mm de la filière. Les matières premières et leur dosage dans le mélange homogène sont les suivants : 60% de polychlorure de vinyle (PVC) rigide 10% de fibre de chanvre 30% de farine d'épicéa 0,1% de polyéthylène chloré Ce mélange se présente sous la forme de granulés. Le mélange utilisé a une température de ramollissement VICAT de l'ordre de 74 C (norme ISO 306). Le produit final obtenu, en sortie du conformateur, est un profilé plein de 25mm de diamètre, ayant une densité moyenne égale à 0,898, à aspect veiné et fibreux, reproduisant de façon très satisfaisante l'aspect du bois. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication par extrusion d'objets à base de polymères thermoplastiques, à aspect veiné et fibreux, ce procédé étant caractérisé en ce que : (1) on utilise une extrudeuse bi-vis composée d'au moins trois zones fonctionnelles successives : une zone d'alimentation, une zone centrale de compression et une zone de pompage, l'extrudeuse bi-vis étant suivie d'une filière puis par des conformateurs, (2) on introduit un compound polymère adjuvanté et de couleurs différentes renforcé de fibres végétales naturelles et de farines de bois. La température de consigne de l'extrudeuse dans la zone d'alimentation est réglée à une valeur inférieure à la température de fusion des polymères thermoplastiques, (3) on règle la température de consigne de l'extrudeuse au niveau de la zone de compression à une valeur inférieure ou égale à la température de fusion des polymères thermoplastiques, et, au niveau de la zone de pompage, à une valeur supérieure à la température de fusion des polymères thermoplastiques. (4) On divise le flux sortant de l'extrudeuse en deux flux qui alimentent la filière puis les conformateurs. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange comprend un mélange d'un polymère adjuvanté et coloré, des fibres de chanvre et de la farine de bois. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que : - la température de consigne de l'extrudeuse au niveau de la zone de compression, est inférieure d'au plus 25 C ou sensiblement égale à la température de fusion des polymères thermoplastiques - la température de consigne de l'extrudeuse au niveau de la zone de pompage est : • Supérieure d'au plus 25 C à la température de fusion des polymères thermoplastiques, dans la majeure partie de la zone de pompage, • Supérieure d'au moins 25 C à la température de fusion des polymères thermoplastiques, dans la partie finale de la zone de pompage, proche de la sortie de l'extrudeuse. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux de compression dans la zone de compression varie d'environ 1,5 à environ 2,5. -10- 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un au moins des composants est constitué essentiellement de polychlorure de vinyle. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les composants sont constitués essentiellement de polychlorure de vinyle. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température de consigne de l'extrudeuse varie : - d'environ 150 C à environ 155 C dans la zone d'alimentation - d'environ 150 C à environ 160 C dans la zone de compression, - d'environ 170 C à environ 180 C dans la majeure partie de la zone de pompage - d'environ 185 C à environ 195 C dans la partie finale de la zone de pompage, proche de la sortie de l'extrudeuse. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le temps de séjour du mélange à base de polychlorure de vinyle dans l'extrudeuse varie d'environ 2 minutes à environ 5 minutes. 11. Objets extrudés en matières thermoplastiques, à aspect veiné et fibreux, caractériés en ce que : - ils sont obtenus à partir d'un mélange polymère, farine de bois, fibre de chanvre, adjuvanté et de couleurs différentes. - Ils ont une densité moyenne que l'on peut faire varier de 1,2 à 0,8. - Ils peuvent être soumis à des opérations de formage et de thermoformage. - Ils sont creux ou pleins et possèdent une surface irrégulière, fibreuse.