Brevet FR3035611A1 — publié le 20161104

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION D'UN MATERIAU STRATIFIE COMPRENANT UNE COUCHE DE CELLULOSE FIBRILLEE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau stratifié comprenant une couche de cellulose fibrillée, ainsi qu'un dispositif de fabrication d'un tel matériau. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Les matériaux stratifiés comprenant un substrat et une couche de cellulose fibrillée présentent un intérêt particulier car la couche de cellulose fibrillée procure au substrat des propriétés barrière, utiles notamment dans l'emballage. Quatre types de procédés sont connus pour fabriquer de tels matériaux. Un premier procédé, dit par voie papetière, consiste à déposer sur une toile une suspension très diluée (c'est-à-dire présentant une concentration inférieure à 5% en poids) de cellulose puis à pulvériser une suspension très diluée de cellulose fibrillée de sorte à obtenir, après drainage au travers de ladite toile, un matelas fibreux humide stratifié présentant une concentration de l'ordre de 20% en poids de cellulose, la couche de cellulose fibrillée ayant une concentration inférieure. L'utilisation de la pulvérisation, compte tenu de la vitesse de la machine, ne permet pas d'atteindre une épaisseur élevée de la couche de cellulose fibrillée une fois séchée, l'épaisseur étant généralement inférieure à 3-5pm. Un second procédé, utilisé pour la fabrication des cartons, consiste à déposer sur une toile une suspension très diluée de cellulose et, sur une toile adjacente, une suspension très diluée de cellulose fibrillée ; un drainage est exercé à travers chacune des toiles pour obtenir un matelas fibreux présentant une concentration de 10 à 15% en poids de cellulose, puis les deux matelas sont assemblés. Ce procédé ne permet pas d'atteindre une épaisseur faible de la couche de cellulose fibrillée une fois séchée, l'épaisseur de la couche de cellulose fibrillée étant généralement supérieure à 15-20pm. Le drainage d'une suspension de cellulose fibrillée à travers une toile est décrit dans le document WO 2013/171373. Dans ces deux procédés, la teneur en eau du matelas fibreux stratifié est réduite au moyen d'une presse parfois chauffante. Un problème associé à cette technique est que la couche de cellulose fibrillée adhère à la surface de la presse, ce qui rend la mise en oeuvre malaisée. Par ailleurs, un tel matelas humide est difficile à déshydrater. Un troisième procédé, dit d'enduction/couchage, consiste à étaler une suspension de cellulose fibrillée sur le substrat de sorte à former une couche humide qui est séchée par rayonnement infrarouge (gaz ou électrique), convection (air chaud) ou conduction (au 3035611 2 contact d'un cylindre sécheur). Toutefois, pour une concentration de l'ordre de 2% en poids de cellulose fibrillée, la suspension a la consistance d'un gel qui est difficile à étaler. Pour faciliter la mise en oeuvre de cette suspension, il faudrait diminuer la concentration en cellulose fibrillée en augmentant la quantité d'eau. Cependant, cette augmentation de 5 la teneur en eau dégrade les propriétés du substrat fibreux, rend difficile le séchage de la couche de cellulose fibrillée et rend difficile l'atteinte d'une épaisseur de couche suffisante pour montrer une amélioration de performance. Un quatrième procédé consiste à fabriquer un film autoporté de cellulose fibrillée, comme décrit dans le document WO 2013/060934 puis à le coller par lamination à un 10 matelas fibreux sec déjà fabriqué. Ce procédé ne permet pas d'atteindre des épaisseurs faibles de la couche de cellulose fibrillée (inférieure à 15pm), car les films minces de cellulose fibrillée présentent une fragilité qui rend leur manipulation difficile. D'autre part, cette technique nécessite l'utilisation d'une colle pour faire adhérer le film autoporté de cellulose fibrillée au matelas fibreux. Le matériau stratifié ainsi obtenu comprend donc une 15 couche de colle. Par ailleurs, il n'est pas connu à l'heure actuelle de procédé permettant de fabriquer un stratifié comprenant une couche de cellulose fibrillée très fine (par exemple de l'ordre de 3 à 20 pm), qui soit également continue et homogène. 20 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités et de concevoir un procédé de fabrication d'un matériau stratifié qui soit plus simple à mettre en oeuvre et qui permette en particulier de réaliser une couche homogène de cellulose fibrillée, déposée en une seule opération, plus épaisse que les procédés connus, en minimisant les besoins 25 de séchage. Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un matériau stratifié comprenant une couche de cellulose fibrillée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) le dépôt d'une suspension de cellulose fibrillée sur une membrane de filtration et 30 le drainage de ladite suspension au travers de la membrane de sorte à former une couche humide de cellulose fibrillée présentant une siccité comprise entre 5 et 18%, (b) le report sous pression de ladite couche humide sur une surface au moins partiellement hydrophile d'un substrat, de sorte à former ledit matériau stratifié, (c) le séchage dudit matériau stratifié. 35 Par « cellulose fibrillée », on entend de la cellulose transformée au minimum à 50% en fibrilles de diamètre nanométrique. Par « surface au moins partiellement hydrophile », on entend une surface présentant des interactions non dispersives, de type acide base au sens de la théorie de 3035611 3 van Oss, Chaudhury et Good telle que décrite dans l'ouvrage de [Darque-Ceretti et Felder]. Selon un mode de réalisation, la concentration en cellulose fibrillée de la suspension mise en oeuvre à l'étape (a) est comprise entre 0,5 et 2% en poids. 5 De manière préférée, la siccité de la couche humide de cellulose fibrillée formée à l'étape (a) est comprise entre 7 et 15%. De manière particulièrement avantageuse, la siccité de la couche de cellulose fibrillée dans le stratifié à l'issue de l'étape (c) est comprise entre 80% et 99%. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, considérées seules ou 10 en combinaison : - la couche humide de cellulose fibrillée à l'issue de l'étape (a) présente une épaisseur comprise entre 20 pm et 750 pm, - la couche humide de de cellulose fibrillée à l'issue de l'étape (b) présente une épaisseur comprise entre 15 pm et 500 pm. 15 - la couche de cellulose fibrillée à l'issue de l'étape (c) présente une épaisseur comprise entre 3 pm et 100 pm. Selon une forme d'exécution de l'invention, le substrat est un papier ou un carton. De manière particulièrement avantageuse, dans l'étape (b), la couche humide de cellulose fibrillée adhère au substrat par contact direct avec la surface au moins 20 partiellement hydrophile dudit substrat. Selon un mode de réalisation, le substrat est entraîné en défilement et la couche humide de cellulose fibrillée est reportée sur ledit substrat de manière continue. Selon un autre mode de réalisation, la couche de cellulose fibrillée est reportée de manière discontinue sur le substrat dans l'étape (b). 25 Un autre objet de l'invention concerne un dispositif de fabrication d'un matériau stratifié comprenant une couche de cellulose fibrillée. Ledit dispositif comprend : - une unité de fabrication d'une couche humide de cellulose fibrillée, comprenant un dispositif de dépôt d'une suspension de cellulose fibrillée sur une membrane de filtration et des moyens de drainage de ladite suspension au travers de la membrane de sorte à 30 former une couche humide de cellulose fibrillée présentant une siccité comprise entre 5 et 18%, - une unité de report sous pression de la couche humide de cellulose fibrillée en sortie de l'unité de fabrication sur un substrat de sorte à former un matériau stratifié, - une unité de séchage dudit matériau stratifié en sortie de l'unité de report. 35 3035611 4 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation permettant la mise en 5 oeuvre d'un mode de réalisation du procédé de fabrication du matériau stratifié, dans lequel la couche humide de cellulose fibrillée est entièrement reportée sur un substrat en défilement, - la figure 2 est une vue schématique d'une installation pour la fabrication du matériau stratifié selon un autre mode de réalisation, dans lequel la couche humide de 10 cellulose fibrillée est reportée localement sur un substrat en défilement, - la figure 3 est une vue schématique d'une installation pour la fabrication d'un matériau fibrille selon un autre mode de réalisation, dans lequel la couche humide de cellulose fibrillée est découpée pour y prélever des portions de couche reportées successivement sur une pluralité de substrats distincts. 15 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La cellulose fibrillée est un nanomatériau hétérogène composé d'éléments de taille micrométriques (fragments de fibres) et d'au moins 50% en nombre de nano-objets (c'est-à-dire des objets dont au moins une des dimensions se situe entre 1 et 100 nanomètres). 20 Ces nano-objets cellulosiques sont appelés « micro-fibrilles » ou MFC (acronyme du terme anglo-saxon « Micro Fibrillated Cellulose ») ou « nano-fibrilles », NFC ou CNF (acronymes respectifs des termes anglo-saxons « Nano Fibrillated Cellulose » et « Cellulose Nanofiber »). Les micro- ou nano-fibrilles de cellulose présentent typiquement un diamètre de l'ordre de 20 à 60 nm et une longueur de 0,5 à 5 pm. 25 La formation de cellulose fibrillée à partir de fibres de cellulose est connue en tant que telle et ne sera donc pas décrite dans la suite du texte. La cellulose fibrillée est typiquement fournie sous la forme d'une suspension aqueuse. Eventuellement, des additifs peuvent être incorporés à la suspension, par exemple des liants, des dispersants, des particules minérales, des oxydes métalliques, 30 des agents plastifiants, rhéologiques, résistants à l'état sec ou humide, réticulants, antimicrobiens ou des fibres cellulosiques ou synthétiques ou encore des nanofils d'argent ou d'autres molécules qui seront, à l'issue du procédé, emprisonnées dans la couche de cellulose fibrillée. La concentration de la suspension en cellulose fibrillée est typiquement comprise 35 entre 0,1% et 4% en poids. De manière préférée, ladite concentration est comprise entre 0,6% et 2% en poids. Dans une première étape du procédé, la suspension est déposée sous la forme d'une couche sur une membrane de filtration. Cette membrane présente une ouverture 3035611 5 suffisamment grande pour favoriser l'élimination de l'eau par filtration tout en étant suffisamment faible pour favoriser la rétention de la cellulose fibrillée sur la membrane. Une toile tissée à faible ouverture (ouverture de maille Opm, surface libre REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un matériau stratifié (S) comprenant une couche de cellulose fibrillée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) le dépôt d'une suspension (1) de cellulose fibrillée sur une membrane (2) de filtration et le drainage de ladite suspension au travers de la membrane de sorte à former une couche humide de cellulose fibrillée (A) présentant une siccité comprise entre 5 et 18%, (b) le report sous pression de ladite couche humide (A) sur une surface au moins partiellement hydrophile d'un substrat (B), de sorte à former ledit matériau stratifié (S), (c) le séchage dudit matériau stratifié. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la concentration en cellulose fibrillée de la suspension est comprise entre 0,5 et 2% en poids. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la siccité de la couche humide de cellulose fibrillée formée à l'étape (a) est comprise entre 7 et 15%. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la siccité de la couche de cellulose fibrillée dans le stratifié (S) à l'issue de l'étape (c) est comprise entre 80% et 99%. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche humide de cellulose fibrillée à l'issue de l'étape (a) présente une épaisseur comprise entre 20 pm et 750 pm. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche humide de cellulose fibrillée à l'issue de l'étape (b) présente une épaisseur comprise entre 15 pm et 500 pm. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de cellulose fibrillée à l'issue de l'étape (c) présente une épaisseur comprise entre 3 pm et 100 pm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le substrat (B) est un papier ou un carton. 3035611 10 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel, dans l'étape (b), la couche humide de cellulose fibrillée (A) adhère au substrat (B) par contact direct avec la surface au moins partiellement hydrophile dudit substrat. 5 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le substrat est entraîné en défilement et la couche humide de cellulose fibrillée est reportée sur ledit substrat de manière continue. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche de 10 cellulose fibrillée est reportée de manière discontinue sur le substrat dans l'étape (b). 12. Dispositif de fabrication d'un matériau stratifié (S) comprenant une couche de cellulose fibrillée, caractérisé en ce qu'il comprend : - une unité (I) de fabrication d'une couche humide de cellulose fibrillée, comprenant 15 un dispositif de dépôt d'une suspension de cellulose fibrillée sur une membrane (2) de filtration et des moyens (4) de drainage de ladite suspension au travers de la membrane de sorte à former une couche humide de cellulose fibrillée (A) présentant une siccité comprise entre 5 et 18%, - une unité (II, Il', Il") de report sous pression de la couche humide de cellulose 20 fibrillée en sortie de l'unité (I) de fabrication sur un substrat (B) de sorte à former un matériau stratifié (S), - une unité (III) de séchage dudit matériau stratifié en sortie de l'unité (II) de report.