Brevet FR3009831A1 — publié le 20150227

HLG Management _3 .FRD. doc Composition plastique chargée en sulfate de sodium et carbonate de sodium La présente invention relève du domaine de la plasturgie, en particulier de la formulation des plastiques. Les matières plastiques existantes sont généralement des mélanges obtenus par une étape de formulation suivie d'une étape de mise en forme, chacune adaptée en fonction des applications souhaitées. Les mélanges créés lors de la formulation contiennent au moins un polymère formant une résine de base. À cette résine peuvent notamment être ajoutées des charges ("filler" en anglais). Les charges représentent une proportion volumique importante du mélange, parfois supérieure à celle de la résine de base. À volume égal, les charges présentent généralement un coût inférieur à celui d'une résine de base. Les charges permettent donc de diminuer le coût volumique du mélange. Les charges peuvent également permettre d'améliorer certaines propriétés du mélange. On connaît par exemple des plastiques incluant des charges minérales telles que le talc. Pour une structure donnée d'une pièce mécanique en matière plastique, l'ajout d'une charge minérale durant la formulation permet d'améliorer la résistance mécanique de la pièce. Il est généralement préférable d'utiliser des charges minérales plutôt que de surdimensionner une pièce mécanique, ce qui la rendrait plus lourde et plus encombrante. La demanderesse a constaté que l'utilisation des charges connues conduisait à l'obtention de matières plastiques dont les performances ne sont pas satisfaisantes. Les processus de fabrication des matières plastiques comprenant des charges minérales sont difficilement réversibles. Le retraitement et le recyclage de ces matières plastiques sont donc très difficiles, voire impossibles. Par ailleurs, les charges connues restent coûteuses. L'invention vient améliorer la situation. La demanderesse propose une composition de matière plastique comprenant : - une résine polymère, et - une charge comprenant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium. La solubilité du sulfate de sodium et du carbonate de sodium augmente rapidement avec la température. Par exemple, des températures situées entre 28 et 35 °C permettent d'atteindre des maximums de solubilité du sulfate de sodium dans l'eau. À 32,4 °C la solubilité du sulfate de sodium pur est de 49,7 grammes pour 100 grammes d'eau. Le rapport de l'augmentation de solubilité sur l'augmentation de température est supérieur avec le sulfate de sodium par rapport à celui d'autres substances. Cela est particulièrement avantageux puisqu'en utilisant un liquide légèrement chauffé, la solubilisation de la charge est grandement améliorée et il est plus facile d'isoler la charge du polymère. La mise en solution de la charge par un solvant tel que l'eau est rapide et facile. La charge de cette matière plastique peut être isolée du reste de la matière plastique et notamment du polymère par solubilisation. Une telle matière plastique peut donc être retraitée et/ou recyclées plus facilement. En effet, contrairement aux charges habituellement utilisées, le sulfate de sodium et le carbonate de sodium présentent une solubilité aqueuse élevée. Par ailleurs, à caractéristiques équivalentes, les matières plastiques comprenant une charge avec du sulfate de sodium et du carbonate de sodium entraînent des coûts de recyclage inférieurs aux matières plastiques comprenant d'autres charges. Les matières plastiques dont la charge comprend du sulfate de sodium et du carbonate de sodium ont un impact écologique amélioré. Selon un autre aspect, la demanderesse propose un procédé de formulation d'une matière plastique comprenant les étapes suivantes : a. mettre à disposition une résine polymérisable et/ou polymérisée, b. incorporer une charge comprenant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium à la résine. Un tel procédé permet de réduire la consommation de résine polymère, qui est un composant coûteux. En outre, le produit d'un tel procédé est plus facilement retraité et/ou recyclé que ceux issus de formulations dans lesquelles d'autres charges sont utilisées. En effet, une charge comprenant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium est plus facile à solubiliser qu'une charge minérale telle que le talc par exemple. Cela facilite le retraitement et le recyclage de la matière plastique. Le procédé peut en outre présenter les caractéristiques suivantes, combinées 30 entre elles ou non : - La charge présente une masse volumique apparente inférieure à 1,0 gramme par centimètre cube. Cela permet d'obtenir une matière plastique allégée par rapport aux matières plastiques connues incluant des charges minérales. Par exemple, le talc est non seulement insoluble dans l'eau mais présente une masse volumique apparente supérieure 5 à 1,5 gramme par centimètre cube et plus généralement d'environ 2,8 grammes par centimètre cube. La barytine présente quant à elle une masse volumique d'environ 4,5 grammes par centimètre cube. Une charge à base de sulfate de sodium et de carbonate de sodium présentant une masse volumique apparente inférieure à 1,0 gramme par centimètre cube combine une masse faible avec un coût faible en comparaison des 10 charges minérales connues. Les coûts de matières premières et de fabrication de la matière plastique s'en trouvent réduits. Par ailleurs, une masse volumique inférieure à 1,0 gramme par centimètre cube de la charge facilite le procédé de formulation du plastique en limitant les risques d'agglomération et de ségrégation. L'incorporation est facilitée, plus rapide et moins coûteuse. 15 - La charge se présente sous une forme pulvérulente. La granulométrie moyenne est inférieure à 20 micromètres pour au moins 95 % en volume. Ainsi, l'homogénéité après l'incorporation de la charge est améliorée, les agglomérations et ségrégations sont évitées, l'étape d'incorporation est accélérée et les coûts de production s'en trouvent réduits. 20 - Le rapport de la proportion massique de sulfate de sodium sur la proportion massique du carbonate de sodium est compris entre 2 et 4. Une telle répartition dans la charge peut être obtenue par des processus existants sans qu'il soit nécessaire de les mettre en oeuvre aux seules fins de la formulation plastique. La charge est donc disponible à moindre coût tout en présentant des propriétés de solubilisation adéquates. 25 Les coûts de fabrication de la matière plastique liés à la charge sont réduits. - L'incorporation est réalisée de manière à obtenir une matière plastique présentant un taux d'incorporation massique de la charge dans la résine compris entre 0,5 et 400 %. Le taux d'incorporation de la charge peut être sélectionné en fonction des polymères utilisés et des applications souhaitées. 30 - La charge présente une proportion massique en impuretés comprise entre 0,1 % et 1,5 %. Une telle composition présente une proportion massique d'impuretés incompatible avec la plupart des processus chimiques existants. Des compositions aussi impures étaient considérées jusqu'alors comme des déchets encombrants et non valorisables en l'état. L'utilisation d'une telle charge dans le procédé permet d'être dispensé de traitement de purification coûteux. Les coûts en matières premières propres à la charge sont réduits dans le procédé. En outre, le retraitement de déchet confère au procédé un aspect écologique. - La masse volumique de la matière plastique obtenue est inférieure à la masse volumique de la résine non chargée. Les pièces réalisées à partir d'une telle composition de matière plastique sont ainsi allégées. Cet avantage est particulièrement appréciable, par exemple, dans le domaine des transports pour lequel une diminution de masse implique souvent une diminution de consommation d'énergie. - Le sulfate de sodium et/ou le carbonate de sodium sont dérivés d'un traitement de désulfuration de gaz. La mise en oeuvre du procédé permet en outre de recycler un déchet issu de traitements mis en oeuvre dans d'autres domaines technologiques que la plasturgie. La valorisation de ces produits est bénéfique à la fois dans le domaine de la désulfuration des gaz et dans la plasturgie. Un tel procédé permet d'améliorer l'impact écologique de chacun des deux domaines. Utiliser un produit traditionnellement considéré comme du rebut plutôt qu'un produit spécifiquement fabriqué et/ou acheté en tant que charge constitue une contribution bénéfique au "bilan carbone" de la fabrication du plastique. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, ci-après. Dans la fabrication d'une matière plastique, on distingue deux étapes : la formulation, parfois désignée par l'anglicisme "compoundage" ou "compounding" en anglais, et la mise en forme. Lors de la formulation, les composants de la matière plastique finale sont sélectionnés et assemblés en fonction des applications ultérieures souhaitées. La matière plastique de l'exemple décrit ici comprend divers composants classés en quatre catégories : - une résine polymère ou un mélange de résines polymères ; - au moins une charge (ou "filler" en anglais) ; - optionnellement, un ou plusieurs plastifiants ; et - optionnellement, un ou plusieurs additifs. Dans la présente description, les termes résine polymère désignent aussi bien une résine polymérisable qu'une résine polymérisée en fonction de l'état d'avancement de la polymérisation. La résine polymère peut être choisie parmi les thermoplastiques, les élastomères ou les thermodurcissables. Dans l'exemple décrit ici, la matière plastique comprend une seule résine polymère constituée de polyéthylène haute densité (PEHD), ici celui commercialisé sous la référence "B4520" par la société SABIC. En variante, la résine polymère peut comprendre d'autres polymères et/ou des mélanges de plusieurs polymères. Les plastifiants comprennent des substances de volatilité faible destinées à augmenter la flexibilité ou l'extensibilité de la matière plastique, à diminuer la température de transition vitreuse et/ou à faciliter la mise en forme de la matière plastique. Les plastifiants sont incorporés selon un taux d'incorporation massique du plastifiant dans la résine qui peut atteindre jusqu'à environ 50 %. Par exemple, les plastifiants peuvent comporter des phosphates et/ou des phtalates d'alkyle. Les additifs comprennent des composants en faible proportion dans le mélange dont les effets sont très spécifiques. À titre indicatif, un additif représente rarement plus de 1 % de la masse totale de la composition. Les additifs peuvent être sélectionnés en fonction des applications. Par exemple, les pigments colorants, les stabilisants, les lubrifiants et les substances résistantes au feu font partie des additifs utilisables à sélectionner en fonction des applications prévues. La charge entrant dans la composition de la matière plastique selon l'invention comprend du sulfate de sodium (Na2SO4) et du carbonate de sodium (Na2CO3). Dans l'exemple décrit ici, avant incorporation dans la matrice, la charge 25 présente un rapport de la proportion massique de sulfate de sodium (Na2SO4) sur la proportion massique du carbonate de sodium (Na2CO3) compris entre 2 et 4, et de préférence entre 2,3 et 3. Le tableau 1 suivant représente les résultats de deux mesures parmi celles réalisées par la demanderesse. Les valeurs du tableau 1 sont exprimées en pourcentage 30 massique. Deux compositions de charge ont été chimiquement analysées. La composition A (colonne de gauche) comprend 74,4 % de sulfate de sodium (Na2SO4) pour 24,8 % de carbonate de sodium (Na2CO3), soir un rapport sensiblement égal à 3. La composition B (colonne de droite) comprend 71,6 % de sulfate de sodium (Na2SO4) pour 28,1 % de carbonate de sodium (Na2CO3), soit un rapport sensiblement égal à 2,55. Les 0,8 %, respectivement 0,3 %, restants de chacune des deux compositions sont considérés ici comme des impuretés. Tableau 1 : Composition : A B Composition : A B Carbone (C) 2,811 3,1815 Chrome (Cr) 0,003 0,0037 Azote (N) --- 0,0001 Fer (Fe) 0,018 0,0160 Oxygène (0) 44,745 44,9934 Nickel (Ni) 0,004 --- Sodium (Na) 34,837 35,3664 Cuivre (Cu) 0,005 0,0095 Aluminium (Al) 0,062 --- Zinc (Zn) --- 0,0019 Silicium (Si) 0,029 0,0740 Arsenic (As) 0,014 --- Soufre (S) 16,788 16,1677 Sélénium (Se) 0,003 0,0013 Chlore (Cl) 0,645 0,1491 Brome (Br) 0,010 0,0021 Potassium (K) 0,006 --- Strontium (Sr) --- 0,0012 Calcium (Ca) 0,024 0,0322 Le carbonate de sodium (Na2CO3) et le sulfate de sodium (Na2504) sous forme anhydre présentent habituellement des masses volumiques respectivement d'environ 2,5 et 2,7 grammes par centimètre cube. À titre de comparaison, le talc (Mg3Si4010(OH)2) présente une masse volumique d'environ 2,8 grammes par centimètre cube tandis que la barytine (BaSO4) présente une masse volumique d'environ 4,5 grammes par centimètre cube. Une charge à base de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium (Na2SO4) dont la masse volumique serait équivalente ou supérieure à celle des charges minérales connues conserverait les avantages de la réversibilité du mélange, contrairement aux charges minérales connues. La demanderesse a constaté qu'utiliser une charge à base de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium (Na2SO4) dont la masse volumique apparente est faible permettait en outre d'obtenir une matière plastique de faible masse volumique. La masse volumique apparente correspond à la masse volumique de la composition sous forme pulvérulente à l'état foisonné, c'est-à-dire en présence d'air interstitiel, par opposition à la masse volumique de la charge dépourvue d'air, c'est-à-dire tassée. Dans l'exemple décrit ici, la charge prend une forme solide pulvérulente. La charge a l'aspect d'une poudre blanche. La charge présente une masse volumique apparente inférieure à 1,1 gramme par centimètre cube, de préférence inférieure à 1,0 gramme par centimètre cube et de manière encore préférée inférieure à 0,8 gramme par centimètre cube. Or, cette masse volumique apparente peut difficilement être obtenue avec les charges minérales existantes, ou à un coût prohibitif. La masse volumique apparente de la charge peut être sélectionnée en fonction de la masse volumique de la matière plastique souhaitée et/ou pour correspondre sensiblement à la masse volumique de la matrice polymère utilisée. Plus la différence des masses volumiques, et donc des densités, entre la matrice polymère et la charge est faible, plus l'incorporation de la charge dans la matrice est facile. De préférence, la charge présente une granulométrie fine pour faciliter l'étape d'incorporation lors de la formulation de la matière plastique. Par exemple, la granulométrie moyenne est inférieure à 20 micromètres pour au moins 95 % du volume de la charge. De manière préférée la granulométrie moyenne est inférieure à 10 micromètres pour au moins 95 % du volume de la charge. La charge peut être constituée quasi exclusivement de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium (Na2SO4). Autrement dit, le taux d'impuretés peut être très faible. Cependant, pour une grande partie des applications des matières plastiques, une pureté importante de la charge présente un intérêt technique limité. L'utilisation d'une charge présentant des taux d'impuretés élevés (une faible pureté) est satisfaisante dans de nombreux cas. En particulier, des charges dont la pureté les rend impropres aux autres domaines de la chimie, sont ici utilisables. Les charges à faible pureté sont en général moins coûteuses. Pour formuler la matière plastique souhaitée, une résine polymérisable et/ou polymérisée est mise à disposition. Dans l'exemple décrit ici, la résine comprend du polyéthylène haute densité (PEHD). Par exemple, la matrice est disposée dans un malaxeur et soumise à une 5 température et à une pression adaptées pour correspondre à un état visqueux ou liquide de la matrice. Durant le malaxage, la charge à base de sulfate de sodium (Na2SO4) et de carbonate de sodium (Na2CO3) est incorporée. Dans l'exemple décrit ici, la charge correspondant à la composition A du tableau 1 est utilisée. L'incorporation de la charge 10 dans la résine est réalisée de manière à obtenir une matière plastique présentant un taux d'incorporation massique entre 0,5 et 400 %, de préférence entre 15 % et 120 %. Dans l'exemple décrit ici, le taux d'incorporation est d'environ 20 %. Autrement dit, en l'absence d'autre charge, de plastifiant ou d'additif, la charge représente environ 17 % en masse du mélange obtenu. 15 En variante et en fonction des applications souhaitées, une ou plusieurs autres charges, un ou plusieurs plastifiants et/ou un ou plusieurs additifs sont incorporés. Lorsque les divers composants de la formulation sont incorporés, la polymérisation de la résine est générée de manière adaptée en fonction de la résine, par exemple ici par polymérisation coordinative. 20 Après formulation, le mélange obtenu forme la matière plastique souhaitée. La matière plastique peut être mise en forme, par exemple par extrusion. Le produit obtenu après mise en forme peut prendre par exemple la forme de granulés, facilement stockables et transportables. La charge à base de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium 25 (Na2SO4) confère à la matière plastique des propriétés mécaniques comparables ou meilleures que celles conférées par l'utilisation d'une autre charge minérale telle le talc (Mg3Si4010(OH)2). La demanderesse est spécialisée dans le traitement de déchets industriels et en particulier ceux résultant des industries métallurgiques. À ce titre, la demanderesse met 30 en oeuvre des processus de désulfuration des gaz. Ces processus visent à dépolluer les gaz issus de productions métallurgiques avant de les relâcher dans l'atmosphère. Parmi les processus employés à cet effet, on peut citer par exemple les processus décrits dans la demande de brevet FR 2 864 529 déposée par la société VALDI auquel le lecteur est invité à se référer. Un des produits de réaction de la désulfuration des gaz se trouve être un mélange à base de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium (Na2SO4). Ce produit, jusqu'ici indésirable, présentait une valeur marchande négative. En effet, il est habituellement nécessaire de le traiter et/ou de le recycler, et parfois même de l'entreposer de manière durable et sécurisée, par exemple par enfouissement. Le mélange était donc jusqu'alors coûteux et non valorisé. La demanderesse a constaté avec surprise que la composition de ce produit convenait bien pour des applications plasturgiques et en particulier pour former une charge telle que décrit jusqu'ici. La demanderesse propose d'utiliser la composition de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium (Na2SO4) issue d'un traitement de désulfuration des gaz dans un procédé de formulation de matière plastique. Cela permet non seulement d'améliorer les performances et de réduire le coût de fabrication de la matière plastique mais remplace avantageusement le retraitement ou le recyclage de ce qui était jusqu'à maintenant considéré comme un déchet de la désulfuration de gaz. La récupération du produit dérivé d'un traitement de désulfuration de gaz confère à la charge un coût plus faible que celui des charges connues, notamment par rapport au talc (Mg3Si4010(OH)2). En outre, les produits dérivés des traitements de désulfuration de gaz peuvent présenter une masse volumique apparente faible, notamment par rapport au talc (Mg3Si4010(OH)2). Par exemple, la composition A du tableau 1 a été obtenue par un traitement de désulfuration de gaz mis en oeuvre par la demanderesse. Cette composition présente une masse volumique apparente d'environ 0,7 gramme par centimètre cube. Un traitement de foisonnement ultérieur pour réduire la masse volumique apparente est donc superflu. Dans une variante, la masse volumique apparente de la composition de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium (Na2SO4) est plus élevée. Dans ce cas, un traitement de foisonnement réduisant la masse volumique apparente de la composition peut être mis en oeuvre avant l'incorporation dans la matrice polymère en fonction de la matière plastique que l'on souhaite obtenir. Le foisonnement préalable à l'incorporation peut être appliqué à une composition, qu'elle soit ou non issue d'une désulfuration. La composition A du tableau 1 présente un taux d'impuretés satisfaisant pour être incorporé dans la matrice polymère sans nettoyage préalable. Une opération de purification est alors évitée. En variante, lorsque le taux de pureté est trop important pour obtenir la matière plastique souhaité, une opération de purification du mélange de carbonate de sodium (Na2CO3) et de sulfate de sodium (Na2SO4) peut être mise en oeuvre. L'invention peut aussi être vue comme une utilisation d'une composition comprenant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium en tant que charge dans la formulation d'un plastique. Dans un exemple préféré, il s'agit d'une utilisation d'une composition comprenant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium issue d'un processus de désulfuration de gaz. L'invention ne se limite pas aux exemples de procédés et de produits décrits ci-15 avant, seulement à titre d'exemples, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Composition de matière plastique comprenant : - une résine polymère, et - une charge comprenant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium. 2. Procédé de formulation d'une matière plastique comprenant les étapes suivantes : a. mettre à disposition une résine polymérisable et/ou polymérisée, b. incorporer une charge comprenant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium à la résine. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la charge présente une masse volumique apparente inférieure à 1,0 gramme par centimètre cube. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel la charge se présente sous une forme pulvérulente et dont la granulométrie moyenne est inférieure à 20 micromètres pour au moins 95 % en volume. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le rapport de la proportion massique de sulfate de sodium sur la proportion massique du carbonate de sodium est compris entre 2 et 4. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel l'incorporation est réalisée de manière à obtenir une matière plastique présentant un taux d'incorporation massique de la charge dans la résine compris entre 0,5 et 400 %. 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel la charge présente une proportion massique en impuretés comprise entre 0,1 % et 1,5 %. 8. Procédé selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel la masse volumique de la matière plastique obtenue est inférieure à la masse volumique de la résine. 9. Procédé selon l'une des revendications 2 à 8, dans lequel le sulfate de sodium et/ou le carbonate de sodium sont dérivés d'un traitement de désulfuration de gaz.