Brevet FR3015530A1 — publié le 20150626

PROCÉDÉ DE PRÉPARATION DE FIBRES VÉGÉTALES POUR UN MATÉRIAU COMPOSITE CONTENANT UNE MATRICE EN POLYMÈRE L'invention concerne les matériaux composites résultant d'un mélange d'une matrice en polymère et de fibres végétales (ou naturelles). Comme le sait l'homme de l'art, on utilise de plus en plus souvent certaines fibres végétales (ou naturelles) pour améliorer certaines propriétés physiques de certains polymères, et notamment certaines propriétés mécaniques (comme par exemple la tension et le module de Young. Parmi les fibres végétales les plus couramment utilisées, on peut notamment citer le lin, le jute et le curaua. Afin de permettre un mélange sensiblement homogène des fibres végétales et d'une matrice en polymère, ces fibres végétales doivent préalablement être préparées. Pour ce faire, il a été proposé de les tremper sous la pression atmosphérique et pendant environ deux heures dans un bain contenant une solution alcaline, comme par exemple une solution d'hydroxyde de sodium ayant une concentration d'environ 5%, puis de les immerger pendant environ 72 heures à la température ambiante. Ce type de traitement alcalin permet non seulement d'augmenter notablement la rugosité de surface des fibres végétales, ce qui permet de les faire mieux adhérer à la matrice en polymère, mais également d'augmenter la proportion de pulpe en surface, ce qui permet d'augmenter le nombre de sites de réaction. Cependant, les fibres végétales préparées au moyen de ce type de traitement alcalin ne supportent pas des températures élevées, typiquement supérieures à 80°C, qui sont indispensables à leur mélange avec une matrice en polymère, comme par exemple un polyamide. L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation. Elle propose notamment à cet effet un procédé, destiné à permettre la préparation de fibres végétales (ou naturelles), comprenant initialement de la lignine, de l'hémicellulose et de la cellulose, et destinées à être mélangées à une matrice en polymère, et comprenant au moins : - une première étape dans laquelle on découpe les fibres végétales en très petits morceaux, - une deuxième étape dans laquelle on trempe les morceaux dans un bain contenant une solution alcaline choisie et sous une très haute pression et une température choisie de manière à séparer la cellulose d'au moins la lignine et l'hémicellulose, puis on lave les morceaux de cellulose séparés pour retirer l'excès alcalin, et - une troisième étape dans laquelle on sèche, sous une température choisie dans une enceinte à vide, les morceaux de cellulose séparés et lavés pour retirer l'humidité résiduelle. On obtient ainsi des morceaux de cellulose préparés qui sont capables de supporter des températures assez élevées, typiquement inférieures à 230°C, et ayant une meilleure capacië d'adhésion à une matrice en polymère. Le procédé de préparation selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : la solution alcaline peut être une solution d'hydroxyde de sodium ayant une concentration comprise entre environ 4% et environ 6%; - dans la deuxième étape on peut tremper les morceaux pendant une durée qui est comprise entre environ 25 minutes et environ 35 minutes ; - dans la deuxième étape on peut tremper les morceaux dans un bain ayant une température qui est comprise entre environ 100°C et environ 140°C ; - dans la deuxième étape on peut tremper les morceaux sous une très haute pression comprise entre environ 1 MPa et environ 2 MPa ; il peut également comprendre une quatrième étape dans laquelle on peut recouvrir d'une solution d'alcool choisie pendant une durée choisie les morceaux de cellulose séparés, lavés et séchés, puis on peut adjoindre un acide afin d'obtenir un pH acide compris dans un intervalle choisi, et une cinquième étape dans laquelle on peut laver les morceaux de cellulose séparés, lavés, séchés et acidifiés avant de les sécher sous une température choisie dans une enceinte à vide ; - dans la quatrième étape on peut recouvrir d'une solution d'alcool comprenant du méthanol et du trimethoxysilane glycidyloxypropyle ; - dans la troisième étape et/ou la cinquième étape on peut sécher les morceaux de cellulose séparés et lavés sous une température qui est comprise entre environ 70°C et environ 90°C. L'invention propose également un procédé destiné à permettre la fabrication d'un matériau composite par mélange d'une matrice en polymère et de morceaux de fibres végétales (ou naturelles) préparés au moyen d'un procédé de préparation du type de celui présenté ci-avant. Par exemple, le polymère peut être un polyamide (thermoplastique semi-cristallin). Ce polyamide peut, par exemple, être le PA 6 ou le PA 6.6. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel l'unique figure illustre schématiquement des sous-étapes d'un algorithme mettant en oeuvre un procédé de fabrication de matériau composite incluant un exemple de réalisation d'un procédé de préparation de fibres végétales selon l'invention. L'invention a notamment pour but de proposer un procédé destiné à permettre la préparation de fibres végétales ou naturelles (comprenant initialement de la lignine, de l'hémicellulose et de la cellulose) et destinées à être mélangées à une matrice en polymère. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que les fibres végétales (ou naturelles) sont du lin ou du curaua. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de fibres végétales. Elle concerne en effet tout type de fibres végétales comprenant, avant préparation, de la lignine, de l'hémicellulose et de la cellulose. Par conséquent, elle concerne également et notamment le jute, le chanvre, le sisal et la fibre de coco. Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que le polymère destiné à former une matrice de matériau composite est un polyamide (ou PA). Il s'agit par exemple du PA 6 ou du PA 6.6. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de polymère. Elle concerne en effet tout type de polymère dont certaines propriétés physiques peuvent être renforcées par des fibres végétales préparées conformément à l'invention. Ainsi, elle concerne également et notamment les polyoléfines (comme par exemple le polypropylène (ou PP)) et le polyéthylène téréphtalate (ou PET). De plus, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que le matériau composite, résultant du mélange d'une matrice en polymère avec des fibres végétales (ou naturelles) préparées conformément à l'invention, est destiné à être utilisé pour fabriquer des pièces de véhicule, éventuellement de type automobile. Mais l'invention n'est pas limitée à ce 1 o type d'application. Le procédé de préparation de fibres végétales selon l'invention comprend au moins des première, deuxième et troisième étapes. La première étape consiste à découper les fibres végétales (ou naturelles) en très petits morceaux. Cette première étape, qui est représentée 15 par la sous-étape 10 de l'unique figure, peut être réalisée au moyen d'une broyeuse à couteaux. Cette première étape peut être complétée par une phase de sélection destinée à ne retenir que des morceaux dont la plus grande dimension est inférieure à une dimension choisie, par exemple égale à environ 75 pm. Cette 20 phase de sélection peut être réalisée au moyen d'un tamis présentant un maillage de 75 ilm. La deuxième étape, du procédé de préparation selon l'invention, consiste au moins à tremper les morceaux (obtenus lors de la première étape) dans un bain contenant une solution alcaline choisie et sous une très haute 25 pression et une température choisie de manière à séparer la cellulose d'au moins la lignine et l'hémicellulose (ainsi que des cires et des pectines), puis à laver les morceaux de cellulose ainsi séparés pour retirer l'excès alcalin. Par exemple, la solution alcaline peut être une solution d'hydroxyde de sodium (ou NaOH) ayant une concentration comprise entre environ 4% et 30 environ 6%. De préférence, on peut utiliser une concentration égale à environ 5%. On notera que l'on peut utiliser d'autres solutions alcalines, comme par exemple l'hydroxyde de potassium (ou KOH). La phase de trempage de cette deuxième étape, qui est représentée par la sous-étape 20 de l'unique figure, peut être réalisée au moyen d'un autoclave. Par exemple, le trempage des morceaux peut être réalisé pendant une durée qui est comprise entre environ 25 minutes et environ 35 minutes. De préférence, cette durée est choisie égale à environ 30 minutes. Egalement par exemple, le trempage des morceaux peut être réalisé dans un bain dont la température est sensiblement constante et comprise entre environ 100°C et environ 140°C. De préférence cette température est choisie égale à environ 120°C. Egalement par exemple, le trempage des morceaux peut être réalisé sous une très haute pression comprise entre environ 1 MPa et environ 2 MPa. De préférence, cette pression est choisie égale à environ 1,5 Mpa. La phase de lavage de cette deuxième étape, qui est représentée par la sous-étape 30 de l'unique figure, peut être réalisée dans un récipient contenant, par exemple, de l'eau dé-ionisée (ou eau distillée). L'objectif est ici de ramener le pH à une valeur sensiblement égale à 7. La troisième étape, du procédé de préparation selon l'invention, consiste au moins à sécher, sous une température choisie dans une enceinte à vide, les morceaux de cellulose (qui ont été séparés et lavés dans la deuxième étape) pour retirer l'humidité résiduelle. Cette troisième étape, qui est représentée par la sous-étape 40 de l'unique figure, peut être réalisée dans une étuve sous une température qui est par exemple comprise entre environ 70°C et envion 90°C. Par exemple, cette température de séchage peut être choisie égale à environ 80°C. Un avantage de ce procédé de préparation (ou traitement) par rapport à ceux connus réside dans le fait que l'utilisation de pressions et températures plus élevées permet de réduire significativement le temps de traitement des fibres. Comme illustré non limitativement sur l'unique figure, le procédé de préparation selon l'invention, peut également et éventuellement comprendre des quatrième et cinquième étapes, représentées respectivement par les sous-étapes 50 et 60. Cette quatrième étape consiste au moins à recouvrir d'une solution d'alcool choisie pendant une durée choisie les morceaux de cellulose qui ont été séparés, lavés et séchés pendant les première, deuxième et troisième étapes, puis à adjoindre un acide (comme par exemple l'acide acétique), afin d'obtenir un pH acide compris dans un intervalle choisi. Par exemple, on peut recouvrir les morceaux de cellulose d'une solution d'alcool comprenant du méthanol et du trimethoxysilane glycidyloxypropyle. La concentration de trimethoxysilane glycidyloxypropyle peut être comprise entre environ 1% et environ 3%. De préférence, cette concentration est choisie égale à environ 2%. Egalement par exemple, le recouvrement des morceaux de cellulose par une solution d'alcool peut être réalisé pendant une durée qui est comprise entre environ 4 minutes et environ 6 minutes. De préférence, cette durée est choisie égale à environ 5 minutes. Egalement par exemple, le recouvrement des morceaux de cellulose par une solution d'alcool peut être réalisé à une température égale à environ 25°C. Egalement par exemple, l'adjonction d'acide (acétique) est destinée à porter le pH des morceaux de cellulose entre environ 4 et environ 6. De préférence, elle est destinée à porter le pH entre environ 4,5 et environ 5,5. La cinquième étape consiste au moins à laver les morceaux de cellulose séparés, lavés, séchés et acidifiés avant de les sécher sous une température choisie dans une enceinte à vide. La phase de lavage de cette cinquième étape peut être réalisée dans un récipient contenant, par exemple, de l'eau dé-ionisée. La phase de séchage de cette cinquième étape peut être réalisée dans une étuve sous une température qui est par exemple comprise entre environ 70°C et environ 90°C. Par exemple, cette toenpérature de séchage peut être choisie égale à environ 80°C. Ces étapes permettent d'optimiser l'interaction de la matrice polymère avec des fibres végétales (ou naturelles), en plus de conférer une résistance thermique encore plus élevée pour les fibres végétales (ou naturelles). Les morceaux de cellulose préparés au moyen du procédé de préparation décrit ci-avant peuvent ensuite être mélangés à une matrice en polymère afin de constituer un matériau composite présentant une bonne homogénéité et des propriétés mécaniques et thermiques améliorées du fait d'une adhésion accrue des charges (morceaux de cellulose) à la matrice. Cette étape de mélange est représentée par la sous-étape 70 sur l'unique figure. Elle peut se faire par extrusion. Dans ce cas la température d'extrusion dépend de la matrice de polymère que l'on utilise.10 REVENDICATIONS1. Procédé de préparation de fibres végétales comprenant de la lignine, de l'hémicellulose et de la cellulose et destinées à être mélangées à une matrice en polymère, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape (10) dans laquelle on découpe lesdites fibres végétales en très petits morceaux, une deuxième étape (20-30) dans laquelle on trempe lesdits morceaux dans un bain contenant une solution alcaline choisie et sous une très haute pression et une température choisie de manière à séparer la cellulose d'au moins la lignine et l'hémicellulose, puis on lave lesdits morceaux de cellulose séparés pour retirer l'excès alcalin, et une troisième étape (40) dans laquelle on sèche, sous une température choisie dans une enceinte à vide, lesdits morceaux de cellulose séparés et lavés pour retirer l'humidité résiduelle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite solution alcaline est une solution d'hydroxyde de sodium ayant une concentration comprise entre environ 4% et environ 6%. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans ladite deuxième étape (20-30) on trempe lesdits morceaux pendant une durée comprise entre environ 25 minutes et environ 35 minutes. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans ladite deuxième étape (20-30) on trempe lesdits morceaux dans un bain ayant une température comprise entre environ 100 °Cet environ 140°C. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans ladite deuxième étape (20-30) on trempe lesdits morceaux sous une très haute pression comprise entre environ 1 MPa et environ 2 MPa. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une quatrième étape (50) dans laquelle on recouvre d'une solution d'alcool choisie pendant une durée choisie lesdits morceaux de cellulose séparés, lavés et séchés, puis on adjoint un acide afin d'obtenir un pH acide compris dans un intervalle choisi, et une cinquième étape (60) dans laquelle on lave lesdits morceaux de cellulose séparés, lavés, séchés et acidifiésavant de les sécher sous une température choisie dans une enceinte à vide. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans ladite quatrième étape (50) on recouvre d'une solution d'alcool comprenant du méthanol et du trimethoxysilane glycidyloxypropyle. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 ou l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que dans ladite troisième étape (40) et/ou ladite cinquième étape (60) on sèche lesdits morceaux de cellulose séparés et lavés sous une température comprise entre environ 70°C et environ 90°C. 9. Procédé de fabrication d'un matériau composite, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger une matrice en polymère et des morceaux de fibres végétales préparés au moyen d'un procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit polymère est un polyamide.