Brevet FR3052781A1 — publié le 20171222

La présente invention s'applique au domaine technique des matériaux avancés et peut être destinée aux secteurs ; industries, transport, mobilier, équipement urbain, bâtiment. L'invention a pour objet un nouveau matériau bio-composite qui est conçu pour être fabriqué industriellement et dont les qualités techniques participent au confort des usagers. La conception d'un nouveau matériau d'origine bio-sourcée soulève plusieurs verrous technologiques. Notamment ceux liés à la capacité du matériau à résister mécaniquement tout en admettant une certaine élasticité. A résister à des amplitudes de températures sans modification structurelle majeure. A résister à des taux élevés d'humidité sans modification structurelle majeure. Le comportement du matériau sous ces contraintes admettra un seuil de résilience qui lui permettra de vieillir 'durablement, c'est-à-dire en respectant la santé et l'environnement, de par la tenue et nature de ses composants, naturels et renouvelables. La conception d'un nouveau matériau d'origine biosourcée conduit naturellement vers des choix de composants naturels et renouvelables. Les contraintes évoquées ici impliquent d'associer plusieurs composants dont les propriétés combinées pour un seul matériau de type bio-composite garantiront les caractéristiques et les performances visées pour des applications ciblées des secteurs précités. On peut citer à titre d'exemples aussi divers ; les garnitures de véhicules, les coques d'aéronefs et de navires, les mobiliers urbains, les parois, cloisons, planchers d'ouvrages de bâtiment Ses propriétés d'absorption acoustique et de capacité thermique ouvrent un champ d'applications telles ; murs anti-bruit, salles de spectacles, salles blanches etc. Défini comme « hybride », ce bio-composite a vocation à s'appliquer diversement. Avec son caractère polyvalent, il peut remplir plusieurs fonctions. L'état de l'art met en avant des dispositifs innovants qui comportent le plus souvent des limites imposées par la nature intrinsèque des composants naturels et renouvelables. D'où la nécessité pour la plupart d'entre eux de lever des verrous, en admettant soit d'introduire des composants ou additifs non bio-sourcés qui dérivent de la démarche initiale d'écoconception, soit en limitant les objectifs de performances initialement prévus, et suivant le champ d'applications, et en aboutissant parfois à ces deux écueils. Les écueils proviennent des propriétés des composants naturels et renouvelables inscrits dans la matrice d'autant plus que leur combinaison soulève des difficultés technologiques. Certains dispositifs tentent d'y pallier en.introduisant des, liants issus de.la chimie,pétrolière comme ceux cancérigènes de la famille des formaldéhydes ; MF, UF, MUF, PU, PF, RPF. Plusieurs laboratoires et quelques industriels ont choisi cette stratégie en déclinant des nouveaux matériaux à des coûts très raisonnables pour leurs applications mais relativement nocifs pour l'environnement et la santé des opérateurs et des usagers (CMR). Toutefois, quelques laboratoires élaborent de nouveaux matériaux composites biosourcés. Le Laboratoire d'Etudes et Recherche sur les Matériaux Bois (LERMAB) de l'Université de Nancy propose une application pour panneaux de particules de bois soit un renfort de base issu du végétal associé à un liant à base de lignine glyoxalée et de tannins. Le proiet de recherche DEMETHER (DEveloppement de Matériaux bio-sourcés pour l'isolation THERmique des bâtiments) soutenu par l'ANR (APR Ec,otechnologie 2011-2015) propose une application pour isolant thermique avec un renfort de base issu de sous-produits agricoles comme le broyat de tournesol associé à un liant naturel de la famille des, polysaccharides. La présente invention porte sur l'avancée technologique que représente notre travail de recherche sur les nouveaux matériaux bio-composites, et dont les caractéristiques et le process de fabrication les distinguent des autres inventions actuellement connues. Ce travail de recherche sur ces nouveaux matériaux bio-composites réalisé en laboratoire, 47 garantit un travail de conception et un protocole d'essais, rigoureusement scientifiques. 3052781 2 Le travail de conception a porté sur les familles de composants bio-sourcés issus de l'agriculture raisonnée, dont la filière garantit une exploitation à faible empreinte environnementale, qu'il s'agit de végétaux bruts, recyclés ou de leurs sous-produits. Nous avons d'abord étudié plusieurs renforts végétaux pour leurs propriétés connues et 5 après un protocole d'essais pour l'expérimentation à l'échelle laboratoire, nous avons pu sélectionner les composants de renforts, naturels et renouvelables, suivants ; Balles céréalières, Fibres de miscanthus, fibres/étoupes de lin, fibres de coton, fibres de bois. Nous avons parallèlement étudié plusieurs matrices, exclusivement ou majoritairement 10 bio-sourcées, seules ou en mélange, pour leurs propriétés connues, et après un protocole d'essais pour l'expérimentation à l'échelle laboratoire, nous avons pu sélectionner les matrices, naturelles et renouvelables, suivantes ; - Matrices protéiniques comme les protéines de lait, de blé, de soja, - Polysaccharides comme l'alginate, le chitosane, l'amidon, la cellulose et ses dérivés, 15 - Polymères, au moins partiellement synthétisés à partir de synthons (bio-monomères) seuls ou en mélange, les bio-polyesters comme le polyacide lactique, les polybutyrates, et les bio-époxy. La cible est d'optimiser le taux de carbone renouvelable de la matrice liante. La présente invention consiste à réussir à combiner de deux à quatre de ces composants de renforts avec de un à trois de ces composants de matrices pour obtenir un matériau 20 composite bio-sourcé dont les caractéristiques techniques, notamment en termes de propriétés mécaniques, hygrothermiques et phoniques et le procédé de fabrication, s'inscrivent dans une démarche de développement durable. Le matériau bio-composite issu de la combinaison de plusieurs de ces composants de renfort avec un ou plusieurs composants de matrice atteint en masse sèche une proportion 25 bio-sourcée à plus de 90% du composite. En l'état de nos connaissances, à l'exception de nos demandes de brevet antérieur INPI FR14-02988 et brevet FR16-00963, il n'existerait pas de combinaison d'un renfort avec une matrice dont les composants sont de part et d'autre, en renfort et en matrice, d'origines bio-sourcées, en résultant un composite à +90% bio-sourcé, en masse sèche. 30 Les caractéristiques notables de ce nouveau matériau bio-composite tiennent à son comportement quand il est soumis à des contraintes mécaniques, hygrothermiques et phoniques. Combinées pour le composite, ces caractéristiques atteignent un niveau de performances élevé. Aussi 'qui peut le plus peut le moins', la polyvalence fonctionnelle du bio-composite le destine à des applications sur l'une, deux ou trois de ses caractéristiques. 35 La recherche a permis de lever les verrous que représente cet objectif de performances mécaniques, hygrothermiques et phoniques pour un composite bio-sourcé en renfort et en matrice, jusqu'au niveau atteint à plus de 90% de composants naturels et renouvelables. Les caractéristiques mécaniques de ce nouveau matériau bio-composite d'une épaisseur pouvant varier de 10 à 100 mm ont été mesurées en flexion et en compression. 40 Le matériau peut atteindre une densité entre 250 et 500 kg/m3. Les batteries de formulations expérimentées en laboratoire ont démontré qu'il peut supporter une contrainte maximale en flexion entre 100 et 600 daN/m2 avec un module d'élasticité en flexion entre 1 et 150 MPa. En compression, la résistance obtenue à 20% de déformation a été évaluée entre 500 et 5000 daN/m2. Le module d'élasticité en compression a été évalué entre 20 et 45 800 MPa. Ces performances mécaniques ouvrent plusieurs champs d'application dans les secteurs industriels et du bâtiment cités supra. Les caractéristiques mécaniques du composite se comparent à celles de l'épicéa ou du 48 peuplier. 3052781 3 Les caractéristiques hygrothermiques de ce nouveau matériau bio-composite d'une épaisseur pouvant varier de 10 à 100 mm ont été mesurées en conductivité entre 0,10 et 0,03 W/m2/K avec une capacité thermique entre 600 et 1800 J/kg/K. Ces caractéristiques sont significatives pour des applications d'isolant thermique dans les secteurs précités. 5 Les caractéristiques d'isolant thermique du bio-composite se comparent à celles du balsa ou du polystyrène de haute densité. Le niveau de sa capacité thermique lui confère la fonction de retardateur hygrométrique en contenant en quantité importante les frigories ou les calories selon la saison. Ce qui pour des applications de régulateur thermique, influera directement sur le confort d'usage. 10 De plus, la capacité thermique du bio-composite pour des applications spécifiques, permet de maintenir et contenir le niveau de température durant 4 à 12h de déphasage thermique. Les caractéristiques phoniques de ce nouveau matériau bio-composite d'une épaisseur pouvant varier de 10 à 100 mm ont été mesurées en iaboratoire avec un tube de Kundt. Le coefficient d'absorption acoustique ci du bio-composite varie de > 0,9 entre 0 et 2000 Hz 15 à 0,7 entre 2000 et 4000 Hz. Le composite s'applique à un système d'isolation acoustique. Les caractéristiques associées du composite ; mécanique, hygrothermique et phonique, représentent une solution technologique pour la nouvelle génération de matériaux avancés. En outre, il serait approprié de le dénommer `Bio-Matériau-Hybride' pour sa polyvalence_ Le protocole d'essais pour l'expérimentation scientifique à l'échelle laboratoire s'est 20 attaché à prédire les modes de préparation qui pourront être utilisés dans leurs diverses applications avec des procédés de fabrication industrielle le, plus courants et 'soutenables'. En effet, si la présente invention représente une réelle avancée technologique dans la conception du biomatériau comme précisé supra, elle se doit de poursuivre une démarche de développement durable, en facilitant sa fabrication sur des procédés vertueux. 25 Le protocole d'essai en laboratoire comprend deux étapes principales, la première étape a consisté à mélanger les composants, la seconde étape à former le matériau composite. La première étape s'effectue à température amblante. Cette étape consiste à mélanger à sec les composants végétaux de renfort soit de deux à quatre composants bio-sourcés cités supra dans la proportion de 60 à 90% de la masse sèche. Puis de mélanger par 30 aspersion dans un solvant le(s) composant(s) de la matrice de un à trois composants bio- sourcés cités supra dans la proportion de 40 à 10% de la masse sèche. Et de terminer cette étape de mélangeage au moyen d'un simple équipement mécanique en combinant les composants de renfort à la matrice. L'utilisation d'un solvant où diluer le(s) composant(s) de la matrice venant lier le pré- 35 mélange à sec des composants de renfort, comporte plusieurs inconvénients que nous avons solutionnés à l'échelle laboratoire. Nous voulions éviter un rapport en masse trop élevé entre volume de solvant et composants de renfort et de matrice. Nous cherchions à réduire au maximum le taux d'humidité du matériau de préparation. Le solvant qui s'incorpore au(x) composant(s) biosourcés de la matrice impacte l'environnement et de 40 plus oblige l'industriel à consommer de l'énergie pour le séchage du matériau composite. Aussi avons-nous procédé à l'aspersion du solvant sur le(s) composant(s) de la matrice, en lui ajoutant, le cas échéant, une quantité très limitée d'additifs afin de modifier sa miseen-oeuvre. Nous avons expérimenté des additifs ; un plastifiant bio-sourcé comme le glycérol et l'un de ses dérivés, ou encore un dérivé d'huile végétale, avec/ou bien un 45 durcisseur ; type aldéhydes ou amines. Ces additifs sont des agents .réticulants qui ont pour propriétés de modifier la viscosité de la matrice, d'activer et potentialiser la réticulation du renfort et d'homogénéiser la cohésion du matériau final bio-composite. Eventuellement, la matrice peut aussi contenir un catalyseur. Dans tous les cas, ces additifs restent des 49 options et représenteraient moins de 8% en masse sèche du composite. 3052781 4 En laboratoire, nous avons formulé un composite, bio-sourcé à 92%, dont la proportion massique entre renfort / matrice [composant(s) / solvant] a été obtenue avec un rapport : 65/35 [20/15] à 85/15 [7/8)]. En fonction des applications et procédé visés, le biocomposite sera exprimé dans une gamme de formulations, avec un rapport ; composants 5 de renfort / solvant de(s) composant(s) de matrice, qui varie de 60/40 à 90/10 de la masse sèche. ta seconde étape s'effectue à- des températures raisonnées en termes de consommation d'énergie, afin de poursuivre la démarche de développement durable. Le procédé industriel pour former le matériau final peut varier, du moulage en autoclave tO aux micro-ondes, â la thermocompression, ceci dans la mesure où la quantité d'énergie consommée sera raisonnablement limitée. D'où l'intérêt d'une mise-en-forme dans une gamme de températures de 60°C à 180°C maximum, la montée en température ayant dans ce cas une durée inversement limitée. En laboratoire, nous avons procédé au moulage de la combinaison renfort et matrice par 15 thermocompression sur 18 éprouvettes de dimension 160x40x40 mm3. Les éprouvettes ont été compactées sous pression entre 10 et 60 bars dans une gamme de températures variant de 180°C maximum à 60°C durant moins de 5' à 35' maximum. Le bio-composite présente l'intérêt d'une mise-en-forme industrielle vertueuse, utilisant une gamme de températures raisonnées, variant selon les applications de 180°C 20 maximum à 60°C et cela sur des temps de moulage limités de moins de 5' à 35' maximum. On obtient une très bonne cohésion de structure du bio-composite, validée par un balayage électronique, ainsi qu'une surface régulière, lisse et d'aspect fini. En l'état de l'art, des conditions de fabrication comparables n'auraient pas encore été expérimentées pour un bio-composite, bio-sourcé en renfort et en liant à plus de 90%. 25 La démarche d'écoconception du bio-composite dénommé «Bio-Matériau-Hybride» a été respectée, malgré les verrous scientifiques et technologiques, afin d'élaborer un matériau composite, bio-sourcé à plus de 90% et dont le procédé de fabrication est raisonné, L'impact environnemental mesuré par une ACV serait de l'ordre de 0,80 Kg à 0,50 kg CO2 éq/m2/an à comparer au béton de chanvre 1,60 kg CO2 ou au polystyrène à 3,20 kg CO2. 30 ta présente invention technologique contribue à la recherche sur les matériaux avancés. REVENDICATIONS1) Matériau avancé de type composite, dont les composants principaux sont d'origine majoritaire bio-sourcée, respectueux de l'environnement, de la santé des opérateurs et des usagers, caractérisé par la combinaison de deux à quatre composants de renfort, naturels et renouvelables, bruts et/ou recyclés ou de leurs sous-produits, sélectionnés parmi les balles céréalières, les fibres de miscanthus, fibres/étoupes de lin, fibres de coton et/ou de bois, ce renfort étant associé à une matrice constituée d'un mélange de un à trois composants, naturels et renouvelables, sélectionnés parmi les matrices protéiniques, comme les protéines de lait, de blé, de soja, et/ou les polysaccharides comme l'alginate, le chitosane, les polymères au moins partiellement synthétisés à partir de synthons (bio- monomères) seuls ou en mélange, les bio-polyesters comme le polyacide lactique, les polybutyrates, et les bio-époxy, soit un composite dont la proportion dans ce biomatériau sera d'origine bio-sourcée en renfort et en matrice, à plus de 90% en masse sèche. 2) Utilisation du matériau avancé d'origine majoritaire bio-sourcée, selon la revendication 1, dans les secteurs ; industries, transport, mobilier, équipement urbain, bâtiment, notamment comme isolant hygrothermique, caractérisé par la combinaison de ses composants biosourcés dont les propriétés associées confèrent au composite, sa résistance mécanique ; mesurée entre 100 et 600 daN/m2 en rupture à la flexion, avec un module d'élasticité en flexion de 1 à 150 MPa et en compression de 20 à 800 MPa, et une densité entre 250 Kg et 500 Kg/m3, sa performance hygrothermique ; mesurée entre 0,10 0,03 W/m2/K de conductivité thermique et sa capacité thermique mesurée entre 600 et 1800 J/kg/K, sa capacité d'absorbeur phonique ; avec un coefficient d'absorption a 0,7 appliqué dans un système d'isolation acoustique. 3) Procédé de préparation d'un matériau avancé selon la revendication 1, qui suit un un processus raisonné, respectueux de l'environnement et de la santé des opérateurs et des usagers, caractérisé par une première étape de mélange à sec des composants de renfort, de 60 à 90% de la masse sèche, puis de mélange du ou des composants de matrice avec aspersion d'un solvant, de 40 à 10% de la masse sèche, puis de mélange mécanique du renfort avec la matrice, cette étape s'effectuant à température ambiante. 4) Procédé de préparation d'un matériau avancé selon la précédente revendication, qui suit un processus raisonné, respectueux de l'environnement et de la santé des opérateurs et des usagers, caractérisé par une seconde étape de moulage, indifféremment en autoclave, micro-ondes ou thermocompression, à des niveaux de températures raisonnés, dans une gamme variant de 180°C maximum à 60°C sur une durée variant de moins de 5' à 35' maximum obtenant une bonne cohésion de structure 36 du matériau composite bio-sourcé ainsi qu'une surface régulière, lisse et d'aspect fini.