Brevet FR2932511A1 — publié le 20091218

PANNEAU D'ISOLATION THERMIQUE A BASE DE FIBRES NATURELLES ET SON PROCEDE DE FABRICATION Domaine technique : La présente invention concerne un panneau d'isolation thermique à base de fibres naturelles, destiné notamment à l'industrie du bâtiment, et son procédé de fabrication. 10 Technique antérieure : L'isolation thermique désigne l'ensemble des méthodes utilisées pour limiter les transferts de chaleur entre un milieu chaud et un milieu froid. L'isolation thermique est une � barrière à chaleur �. Dans le bâtiment, elle permet de réduire les 15 consommations d'énergie de chauffage et de climatisation tout en accroissant le confort. Le vide constitue un excellent isolant mais reste difficile à contenir. L'air est également isolant pour autant qu'il soit immobile. Aussi, les isolants thermiques se chargent de l'emprisonner dans une structure. 20 Le marché de l'isolation thermique est dominé à 90% par les laines minérales (laine de roche, laine de verre, etc.) et les produits synthétiques (polystyrènes, polyuréthanes, etc.). Les 10% restants du marché se partagent entre les laines végétales, animales, les fibres céramiques, le liège et autres. Les laines végétales constituent une niche de marché qui va se développer rapidement au cours des années 25 à venir, notamment au regard de l'évolution des réglementations en matière environnementale. On trouve également sur cette niche de marché les laines animales. C'est la raison pour laquelle on parle de niche de marché de l'isolation thermique naturelle. Développées à partir de matière synthétique, minérale ou naturelle, les diverses solutions d'isolation thermique peuvent être mises en oeuvre à5 l'intérieur et/ou à l'extérieur du bâtiment, ou encore être intégrées directement dans la masse des constituants du bâtiment. Les produits synthétiques sont fabriqués par des procédés qui nécessitent une énergie grise (c'est la quantité d'énergie nécessaire à la production et à la fabrication des matériaux ou des produits industriels) importante. Issus de ressources non renouvelables telles que des hydrocarbures du pétrole, expansés avec des gaz à effet de serre et difficilement recyclables, ces produits synthétiques présentent des inconvénients environnementaux majeurs. Les laines minérales présentent également des inconvénients environnementaux étant donné que leurs procédés de fabrication nécessitent des très hautes températures et donc une consommation d'énergie relativement élevée. De plus, ces procédés utilisent des ressources non renouvelables telles que des roches et du sable, ainsi que des résines phénoliques comme liant qui sont des produits chimiques. Par ailleurs, un problème bien connu dans l'industrie du bâtiment est l'allergénicité de ces types de matériaux isolants qui peuvent provoquer diverses réactions allergiques. En outre, ces laines sont très irritantes pour la peau et nécessitent le port d'une protection adaptée lors de la pose. Leur potentiel cancérigène est assez controversé en raison de la persistance des fibres dans les poumons. Les résines phénoliques qui se dégradent dans le temps entraînent en plus des pertes de propriétés isolantes par tassement des matériaux, des risques de contamination de l'espace habitable par une libération des fibres minérales dans les systèmes de ventilation. Ceci est préjudiciable d'un point de vue environnemental car ces laines sont inadaptées pour le recyclage et, bien qu'employées comme isolant thermique, entraînent à terme une surconsommation d'énergie de chauffage. Il existe donc un besoin pour de nouveaux types de matériaux isolants qui permettent de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus et qui sont respectueux de l'environnement tant en ce qui concerne les personnes que l'environnement en général. On trouve également sur le marché des produits naturels à base de fibres végétales telles que la cellulose, le chanvre, le lin, le jute, le sisal, etc. ou de fibres animales telles que la laine, les plumes, etc. soucieux de leur impact environnemental et désireux de s'inscrire dans une démarche de développement durable. Naturels, ils n'ont aucun effet néfaste sur la santé et possèdent des propriétés d'isolation identiques à celles des laines minérales ou des produits synthétiques. Ils répondent en outre aux problèmes de poussière et d'abrasion des laines minérales. Issus de ressources renouvelables, ils préservent l'environnement et contribuent au piégeage du carbone tout au long de leur cycle de vie. Néanmoins, la plupart des produits naturels présents sur le marché utilisent un liant à base de polymère pour lier les fibres végétales, comme un polyester ou une résine phénolique. Ils ne sont donc pas 100% naturels et écologiques. Un exemple est décrit dans la publication US 2004/0187998 qui concerne un panneau pour parois de bâtiment à base de fibres de kenaf liées par une résine phénolique, ce panneau ayant de bonnes propriétés mécaniques et respirantes. Un autre exemple est décrit dans la publication WO 02/088457 qui concerne un matériau de remplissage pour matelas à base de plumes liées par une structure fibreuse à base de fibres thermoplastiques composite. Ces fibres composite comportent un premier composant qui forme une âme et est constitué d'une fibre synthétique dans un matériau polymère stable à haute température ayant un point de ramollissement élevé, supérieur à la température du traitement thermique du mélange, égale par exemple 200°C, et un second composant qui forme une gaine entourant l'âme et est constitué d'un matériau polymère dont la température de ramollissement est inférieure à celle de l'âme, comprise par exemple entre 70 et 180°C, permettant de réaliser grâce à un traitement thermique une véritable soudure au niveau des points de contact des fibres entre elles. L'avantage de cette fibre composite est la combinaison de caractéristiques complémentaires : une liaison chimique assurée par la gaine qui fond et soude les fibres entre elles à leurs points de contact et une liaison mécanique assurée par l'âme qui ne fond pas et crée le réseau tridimensionnel. L'inconvénient majeur de ces liants, y compris de la fibre composite ci-dessus, réside dans le fait qu'ils utilisent des ressources non renouvelables, à savoir des hydrocarbures issus du pétrole, qu'ils nécessitent un coût énergétique de transformation élevé et qu'ils ne sont pas biodégradables. Or si l'on cherche à fabriquer des panneaux d'isolation thermique à base de fibres 100% naturelles, il conviendrait d'utiliser un liant également 100% naturel pour que les produits obtenus puissent être qualifiés de produits 100% naturels et écologiques, respectueux de l'environnement. Exposé de l'invention La présente invention apporte une solution aux problèmes évoqués ci-dessus en proposant un nouveau panneau d'isolation 100% naturel et écologique, présentant de très bonnes propriétés mécaniques et d'isolation thermique, compatibles avec une utilisation dans l'industrie du bâtiment notamment. Dans ce but, l'invention concerne un panneau d'isolation thermique tel que défini en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte une structure fibreuse formant un réseau tridimensionnel agencé pour emprisonner lesdites fibres naturelles et assurer leur liaison, ladite structure fibreuse étant constituée de fibres composites thermofusibles à base de biopolymères. Dans ce but, l'invention concerne également un procédé de fabrication dudit panneau d'isolation thermique, dans lequel on mélange des fibres naturelles et des fibres composites thermofusibles dans un pourcentage prédéterminé, on les dispose en nappe ou en plaque sur une épaisseur prédéterminée et on effectue un traitement thermique par élévation de la température à une valeur prédéterminée pour thermocoller lesdites fibres composites thermofusibles au niveau de leurs points de contact, et emprisonner lesdites fibres naturelles dans une structure fibreuse consolidée. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. Meilleure manière de réaliser l'invention : Le panneau d'isolation thermique selon l'invention est de préférence réalisé à base de fibres naturelles et destiné notamment à l'industrie du bâtiment, mais pas exclusivement. Il se caractérise par une structure fibreuse formant un réseau tridimensionnel agencé pour emprisonner les fibres naturelles et assurer leur liaison et leur cohésion. Cette structure fibreuse est constituée de fibres composites thermofusibles à base de biopolymères. La répartition en pourcentage des fibres naturelles par rapport aux fibres composites thermofusibles peut être d'environ 60 à 95%. Les fibres naturelles entrant dans la composition du panneau d'isolation sont de préférence des fibres végétales choisies dans le groupe comprenant au moins la cellulose, le chanvre, le lin, le jute, le sisal, le kenaf, l'alfa, utilisées seules ou combinées. Une des réalisations de l'invention concerne l'utilisation de fibres de kenaf. Le kenaf, Hibiscus Cannabinus L. et Hibiscus Sabdarifa L. est une plante annuelle de la famille des Malvaceae. Le kenaf s'apparente au coton et possède un système racinaire pivotant. A maturité, ses tiges peuvent atteindre de 1,9m à 3,7m pour un diamètre de base de 1,5 à 2,5cm. Il est constitué de fibres dites longues de 3 à 200mm, correspondant à 40% masse sèche, et de fibres dites courtes de 0,5 à 3mm, correspondant à 60% de masse sèche. Le kenaf est connu et utilisé essentiellement pour ses propriétés d'absorption qui sont nettement supérieures à celles du chanvre et du lin, ce qui explique son utilisation dans le domaine de la dépollution. A titre d'exemple, le kenaf peut absorber jusqu'à 12 fois sa masse, alors que le chanvre est limité à 3 fois sa masse. Par ailleurs, le kenaf présente des propriétés mécaniques identiques ou supérieures au chanvre et au lin habituellement utilisés dans l'isolation thermique, et son rendement est également supérieur à celui du chanvre et du lin. Il représente donc un fort potentiel de développement industriel et peut constituer une alternative écologique intéressante aux fibres de chanvre et de lin pour le domaine de l'isolation thermique. Dans le cadre de cette application, on utilise de préférence des fibres de kenaf ayant une longueur comprise entre environ 0,5 et 200mm et un diamètre compris entre environ 10 et 301.im. Les fibres composites thermofusibles qui constituent la structure fibreuse permettant de lier les fibres naturelles entre elles et de créer un ensemble homogène et cohérent, comportent au moins un premier composant formant un coeur et ayant une fonction de maintien mécanique et au moins un deuxième composant formant une enveloppe de la fibre entourant ledit coeur et ayant une fonction de liaison chimique. Le point de fusion du premier composant est supérieur au point de fusion du deuxième composant et à la température du traitement thermique nécessaire à la fabrication du panneau, de sorte que lorsque l'enveloppe des fibres fond, les fibres se soudent entre elles au niveau de leurs points de contact, le coeur reste intact pour consolider la structure fibreuse. Le premier composant et le deuxième composant comportent chacun au moins un 30 biopolymère, tel qu'un acide polylactique ou similaire. L'acide polylactique (PLA) est produit à partir de l'extraction de l'amidon de maïs, qui est converti en sucre, puis ensuite décomposé, grâce à des micro-organismes, en acide lactide, lui-même polymérisé en polylactide. De tels copolymères et homopolymères de polylactide sont disponibles sur le marché, par exemple en granulés, sous les dénominations suivantes : NATUREWORKS de la société Natureworks LLC (USA/JP), LACEA de la société Mitsui Chemicals Co (JP), SOLANYL de la société Rodenburg (NL). Ces exemples ne sont pas limitatifs. On choisit de préférence pour le coeur de la fibre un acide polylactique PLA(l) ayant un point de fusion compris entre 160 et 250°C, qui est par exemple un NatureWorks� PLA Polymer 2002D . On choisit de préférence pour l'enveloppe de la fibre un acide polylactique PLA(2) ayant un point de fusion compris entre 60 et 220°C, qui est par exemple un NatureWorks� PLA Polymer 3051D. Ces exemples ne sont bien entendu pas limitatifs. Dans le cadre de l'invention, le coeur de la fibre composite thermofusible est avantageusement renforcé par ajout de fibres naturelles dans une proportion d'environ 10 à 60 % en poids, qui sont de préférence des fibres d'environ 0,5 à 200mm et d'un diamètre d'environ 10 à 30�m permettant d'améliorer les propriétés mécaniques du coeur. Ces fibres naturelles sont de préférence des fibres végétales choisies dans le groupe comprenant la cellulose, le chanvre, le lin, le jute, le sisal, le kenaf, l'alfa. On peut également préférer les fibres de kenaf comme expliqué ci-dessus. Dans le but de répondre aux normes anti-feu en vigueur dans le domaine du bâtiment, le premier composant formant le coeur et/ou le deuxième composant formant l'enveloppe de la fibre peuvent comporter au moins un additif, tel qu'un retardateur de flamme comme par exemple un agent ignifuge non-halogéné ou des sels métalliques dans une proportion d'environ 0,2 à 6 % en poids, ou d'autres additifs tels que des agents de couplage, lubrifiants, antistatiques, antioxydants ou anti-UV, des pigments, etc. La fibre composite thermofusible obtenue peut également subir un traitement de refroidissement thermique et d'étirement par enroulement pour améliorer telle ou telle caractéristique, comme sa flexibilité, son élongation, etc. Possibilités d'application industrielle : La fibre composite thermofusible entrant dans la fabrication du panneau d'isolation thermique selon l'invention peut être obtenue par un procédé classique de filature par co-extrusion au moyen de deux extrudeuses à simple ou double vis, associées pour extruder un filament continu composite de type coeur-enveloppe ayant une finesse d'environ 1 à 3,5dtex, ou tout autre procédé équivalent ou adéquat. Le PLA (1), les fibres naturelles et le ou les éventuels additifs sont introduits dans la première extrudeuse et le PLA (2) est introduit dans la deuxième extrudeuse. Les premier et second composants sont mis sous pression dans des cylindres thermorégulés et transportés vers une filière au moyen de vis sans fin, permettant d'assurer l'homogénéité et la bonne dispersion des fibres naturelles et des additifs par l'effet de chaleur, le cisaillement et la géométrie des vis. En sortie de filière, le filament continu composite ainsi obtenu est refroidi par un procédé à air ou à eau puis enroulé sur une bobine. Il est ensuite travaillé comme un filament traditionnel pour en faire des fibres plus ou moins longues en fonction des besoins, conditionnées en balles ou similaires. Pour fabriquer un panneau d'isolation thermique selon l'invention, on utilise un procédé dans lequel on mélange des fibres naturelles et des fibres composites thermofusibles dans un pourcentage prédéterminé, on les dispose en nappe ou en plaque sur une épaisseur prédéterminée et on effectue un traitement thermique par élévation de la température à une valeur prédéterminée pour thermocoller lesdites fibres composites thermofusibles au niveau de leurs points de contact, et emprisonner lesdites fibres naturelles dans une structure fibreuse consolidée. Si les fibres naturelles et/ou composites thermofusibles sont conditionnées en balles, le procédé prévoit une étape dans laquelle on ouvre et on mélange simultanément les balles de fibres au moyen d'une ouvreuse. On peut ensuite envoyer ce mélange de fibres ouvertes par voie pneumatique dans une cardeuse pour orienter les fibres mélangées. En sortie de carde, les fibres mélangées et orientées peuvent être acheminées vers une nappeuse qui va déposer en continu ces fibres en nappe épaisse sur un convoyeur jusqu'à l'épaisseur désirée. La nappe ainsi obtenue est transportée vers un four de thermofixation dans lequel elle subit un traitement thermique par élévation de température jusqu'à une température correspondant au point de fusion de l'enveloppe des fibres composites thermofusibles pour consolider la structure fibreuse par thermocollage des fibres composites entre elles au niveau de leurs points de contact. Selon le type de produit à fabriquer, on ajoute une étape de compression pendant le traitement thermique pour comprimer la nappe de fibres plus ou moins et par exemple à une valeur comprise entre environ 80 à 120kg/m3. On peut ainsi fabriquer un panneau d'isolation thermique ayant par exemple une épaisseur comprise entre environ 20 et 200mm et pouvant avoir par exemple une densité comprise entre environ 20 et 80kg/m3. En sortie du four de thermofixation, on découpe la nappe de fibres consolidée et on la conditionne en rouleau ou en plaques en fonction de sa destination. Le traitement anti-feu du panneau d'isolation peut être effectué de différentes manières : par pulvérisation ou imprégnation des fibres naturelles et des fibres composites thermofusibles lors de leur mélange dans la chargeuse de la carde d'un agent ignifuge non-halogéné ou de sels métalliques sous la forme de poudre ou de solution, par pulvérisation ou imprégnation de la nappe de fibres d'un agent ignifuge 30 non-halogéné ou de sels métalliques sous la forme de poudre ou de solution, 15 par incorporation d'un agent ignifuge non-halogéné ou de sels métalliques dans les fibres composites thermofusibles constituant la structure fibreuse comme évoqué précédemment, par ajout d'un voile ignifugé sur les faces externes du panneau d'isolation pour obtenir un produit complexe ignifugé, ou par combinaison de ces solutions. Bien entendu, tout autre procédé de fabrication équivalent peut convenir, comme par exemple un procédé de moulage dans des empreintes et sous pression pour réaliser des plaques de dimensions prédéterminées. Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir l'obtention d'un panneau d'isolation thermique 100% écologique et n'utilisant que des matériaux renouvelables. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. Revendications1. Panneau d'isolation thermique à base de fibres naturelles, destiné notamment à l'industrie du bâtiment, caractérisé en ce qu'il comporte une structure fibreuse formant un réseau tridimensionnel agencé pour emprisonner lesdites fibres naturelles et assurer leur liaison, ladite structure fibreuse étant constituée de fibres composites thermofusibles à base de biopolymères. 2. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la répartition en pourcentage des fibres naturelles par rapport aux fibres composites thermofusibles est de 60 à 95%. 3. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres naturelles sont des fibres végétales choisies dans le groupe comprenant la cellulose, le chanvre, le lin, le jute, le sisal, le kenaf, l'alfa. 4. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fibres végétales sont de préférence des fibres de kenaf ayant une longueur 0,5 à 200mm et un diamètre de 10 à 30�m. 5. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres composites thermofusibles comportent au moins un premier composant formant un coeur et au moins un deuxième composant formant une enveloppe entourant ledit coeur pour former ladite fibre, dans laquelle le point de fusion du premier composant est supérieur au point de fusion du second composant. 6. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 5, caractérisée en ce que le biopolymère dudit premier composant et le biopolymère dudit deuxième composant sont des acides polylactiques. 1130 7. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le biopolymère dudit premier composant formant ledit coeur est un acide polylactique ayant un point de fusion compris entre 160 et 250°C. 8. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le biopolymère dudit deuxième composant formant ladite enveloppe est un acide polylactique ayant un point de fusion compris entre 60 et 220°C. 9. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier composant formant ledit coeur est renforcé par ajout de fibres naturelles dans une proportion de 10 à 60% en poids. 10. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdites fibres naturelles sont des fibres de 0,5 à 200mm d'un diamètre de 10 à 30�m. 11. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 9, caractérisée en ce que les fibres naturelles sont des fibres végétales choisies dans le groupe comprenant la cellulose, le chanvre, le lin, le jute, le sisal, le kenaf, l'alfa. 20 12. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 1l, caractérisée en ce que lesdites fibres végétales sont de préférence des fibres de kenaf. 13. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier composant formant ledit coeur et/ou le deuxième composant formant ladite 25 enveloppe comporte au moins un additif. 14. Panneau d'isolation thermique selon la revendication 13, caractérisée en ce que ledit additif est un agent ignifuge non-halogéné en proportion de 0,2 à 6% en poids.15 15. Procédé de fabrication d'un panneau d'isolation thermique à base de fibres naturelles, destiné notamment à l'industrie du bâtiment, selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on mélange des fibres naturelles et des fibres composites thermofusibles dans un pourcentage prédéterminé, on les dispose en nappe ou en plaque sur une épaisseur prédéterminée et on effectue un traitement thermique par élévation de la température à une valeur prédéterminée pour therrnocoller lesdites fibres composites thermofusibles au niveau de leurs points de contact, et emprisonner lesdites fibres naturelles dans une structure fibreuse consolidée. 16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, dans lequel on oriente les fibres naturelles mélangées aux fibres composites thermofusibles et on dépose ce mélange de fibres orientées en une nappe continue sur un convoyeur. 17. Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'on ajoute une étape de traitement anti-feu audit mélange de fibres par pulvérisation ou imprégnation d'agent ignifuge sous forme de poudre ou de solution. 18. Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'on ajoute 20 une étape de compression pendant le traitement thermique pour comprimer ladite nappe ou ladite plaque de fibres en fonction de la densité souhaitée. 19. Procédé de fabrication selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'après le traitement thermique, on découpe ladite nappe de fibres et on la conditionne en 25 rouleau ou en plaques.