Brevet FR3059345A1 — publié le 20180601

COMPOSITION LIANTE A BASE DE FIBRES VEGETALES ET DE CHARGES MINERALES, SA PREPARATION ET SON UTILISATION DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une composition liante dont les constituants peuvent majoritairement provenir de mélanges de matières recyclées et/ou de refus industriels, voire de tout flux papetier riche en charges minérales et fines/fibres cellulosiques. Cette composition liante est principalement composée de charges minérales et de matières organiques végétales. Ce mélange sera qualifié par la suite par la terminologie « composition liante ». Le domaine d'utilisation de la présente invention concerne la fabrication de biomatériaux, de produits composites mais aussi les produits issus de l'industrie papetière. Il peut notamment s'agir de la fabrication du papier ou du carton. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Les produits issus de l'industrie papetière, tels que le papier et le carton, sont préparés à partir de suspensions aqueuses de fibres lignocellulosiques. Ils peuvent être préparés à partir de fibres ayant été recyclées. Outre les fibres lignocellulosiques, ces produits comprennent généralement des charges minérales. Ces charges peuvent également être issues des filières de recyclage, notamment de pâtes à papier recyclées. Les charges minérales dites « recyclées » et les charges minérales dites « naturelles » (non recyclées) sont introduites dans les circuits de manière à modifier les propriétés du papier ou du carton, notamment les propriétés mécaniques et/ou optiques et/ou de surface. Les charges permettent également de réduire le coût du produit fini. 3059345 2 A titre d'exemple, les charges minérales dites naturelles couramment utilisées dans l'industrie papetière incluent le carbonate calcium, le kaolin, le dioxyde de titane, le talc et la silice colloïdale. 5 Cependant, même si au niveau des propriétés optiques ou de surface, les charges minérales naturelles apportent les propriétés désirées, les charges minérales recyclées induisent souvent des effets optiques subis et pas toujours désirés. Néanmoins, quelle que soit leur origine, toutes les charges dites naturelles ou recyclées diminuent le coût du papier ou du carton et affectent les propriétés mécaniques et optiques du papier ou 10 du carton. D'autre part, au regard du manque d'affinité chimique entre les charges minérales et les fibres lignocellulosiques, leur introduction volontaire ou non, et selon leur mode d'introduction, nécessite généralement la présence d'autre agents de fixation et/ou de rétention comme les polyacrylamides cationiques, et/ou de liaison comme par exemple de l'amidon servant à la fois à améliorer la résistance de la feuille et la 15 rétention des charges. Des polymères à base d'acrylamide et ses dérivés ont également été développés afin d'améliorer la rétention de charges tout en maintenant les propriétés mécaniques du papier ou du carton, telles que la résistance au déchirement, la cohésion interne et la 20 résistance à l'éclatement par exemple. Quand bien même ces solutions s'avèrent relativement satisfaisantes, il existe néanmoins un besoin d'alternatives, plus particulièrement une alternative aux polymères et/ou à l'amidon, pour une utilisation en masse ou en surface afin 25 d'améliorer les caractéristiques physiques du papier, et ce à moindre coût. C'est ce problème au sens plus large que résout la présente invention grâce à la mise au point d'une composition liante. Cette composition liante permet de substituer en partie ou intégralement l'utilisation des agents de résistance à l'état sec (amidons, 30 polyacrylamides amphotères, la carboxyméthylcellulose et les gommes de guar). Elle permet également d'améliorer la rétention et le taux de charges minérales tout en minimisant les pertes de propriétés mécaniques du papier ou du carton. 3059345 3 EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention concerne une composition liante principalement composée d'eau, de matières organiques végétales et de charges minérales. 5 Plus précisément, la présente invention concerne une composition liante contenant de l'eau, des fibres végétales et des charges minérales, - le rapport massique entre les fibres végétales et les charges minérales étant compris entre 99/1 et 2/98, avantageusement entre 95/5 et 15/85, plus 10 avantageusement entre 80/20 et 20/80, - les fibres végétales et les charges minérales ayant été simultanément raffinées. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de cette composition liante et son utilisation dans la fabrication du papier ou du carton. 15 Composition liante : Les propriétés liantes de la composition liante résultent de sa préparation, et plus particulièrement du raffinage des matières organiques végétales (fibres végétales) en 20 présence des charges minérales. Le raffinage correspond à un traitement mécanique de compression et de cisaillement. De manière générale, le raffinage permet la fibrillation et/ou la coupe des matières organiques végétales. Le raffinage permet en outre le développement de la surface spécifique et du pouvoir liant des fibres végétales. 25 La présence de charges minérales lors du raffinage permet de fragmenter celles-ci mais aussi de les enrober au moins partiellement avec les fibres végétales. Ainsi, dans la composition liante selon l'invention, les charges minérales sont au moins partiellement liées entre elles grâce à la formation d'un réseau entre les fibres végétales. 30 Une fois enrobées, les charges minérales de la composition liante peuvent être fixées et/ou incluses dans un réseau de fibres lignocellulosiques pour fabriquer du papier ou du carton. Leur intégration dans ce type de réseau fibreux à forte surface spécifique 3059345 4 permet d'améliorer les propriétés mécaniques et/ou la douceur du papier ou du carton, alors que l'ajout de charges minérales par les procédés standards dégrade les caractéristiques mécaniques et/ou la douceur. 5 L'une des spécificités de la composition liante a trait à l'augmentation du taux de charges minérales sans altérer les caractéristiques physiques du papier ou du carton. En effet, au moins une partie des charges minérales présentes dans le papier ou le carton provient de la composition liante dans laquelle les charges minérales sont au moins partiellement enrobées par les fibres végétales. L'augmentation de la surface 10 spécifique des fibres végétales permet non seulement de fixer les charges minérales présentes lors du raffinage, mais aussi d'améliorer la rétention de charges minérales dans un procédé de fabrication du papier ou du carton. Aussi, par composition liante, on entend une composition permettant de fixer des charges minérales sans détériorer les caractéristiques mécaniques du papier ou du carton. 15 Les fibres végétales sont généralement des fibres lignocellulosiques. Elles peuvent être obtenues à partir de fibres de cellulose issues de matériaux lignocellulosiques, notamment le bois (bois de feuillus ou bois de résineux) et les plantes annuelles. Elles peuvent également provenir du recyclage de matériaux cellulosiques. 20 Les fibres végétales de la composition liante présentent une taille moyenne avantageusement comprise entre 10 micromètres et 700 micromètres, plus avantageusement entre 10 et 500 micromètres, en moyenne de l'ordre de 250 micromètres à 400 micromètres. Il s'agit de la taille moyenne des fibres ayant été 25 raffinées en présence des charges minérales. Par taille, on entend la dimension la plus importante des fibres végétales, par exemple la longueur. 30 A l'issue du raffinage, les fibres végétales présentent une surface spécifique avantageusement comprise entre 5 m2.g-1 et 200 m2.g-1, plus avantageusement entre 10 m2.g-1 et 100 m2/g. 3059345 5 Les fibres végétales mises en oeuvre sont avantageusement issues des filières de recyclage du papier et/ou du carton. 5 Dans la composition liante, les fibres végétales (recyclées ou non) correspondent à la partie de matière organique issue du végétal pouvant être consumée lorsque la composition liante préalablement asséchée est soumise à une température supérieure à 425°C pendant une durée au moins égale à 2 heures. La masse ainsi consumée correspond à la partie en masse de fibres végétales. 10 Outre les fibres végétales, la composition liante comprend également des charges minérales. De manière générale, tout type de charges minérales conventionnelles peut être mis en 15 oeuvre dans l'invention. Il peut s'agir de charges minérales naturelles c'est-à-dire des charges ne provenant pas du recyclage. Cependant, les charges minérales sont avantageusement issues des filières de recyclage du papier et/ou du carton. 20 Quelle que soit leur origine, les charges minérales peuvent notamment être choisies dans le groupe comprenant le carbonate de calcium, le kaolin, le dioxyde de titane, le talc, et leurs mélanges. 25 Dans la composition liante, les charges minérales présentent une taille moyenne avantageusement centrée autour de 1 micromètre à 100 micromètres, plus avantageusement autour de 10 micromètres à 50 micromètres. Elles peuvent également se présenter sous forme de charges unitaires et/ou d'agrégats. 30 Par taille, on entend la dimension la plus importante, par exemple le diamètre pour des charges ou des agrégats sphériques. Il s'agit de la taille des charges après raffinage en présence des fibres végétales. 3059345 6 Dans la composition liante, les charges minérales recyclées ou non correspondent à la partie de matière minérale non consumée lorsque la composition liante préalablement asséchée est soumise à une température supérieure à 425°C pendant une durée au moins égale à 2 heures. 5 Dans le cas de charges et/ou de fibres végétales issues du recyclage, notamment du recyclage du papier ou du carton, le même test de combustion à une température supérieure à 425°C pendant une durée au moins égale à 2 heures peut être utilisé pour déterminer la quantité de charges végétales et la quantité de charges minérales 10 contenues dans les matières recyclées. Lorsque les charges minérales et/ou de fibres végétales sont issues des filières de recyclage, elles peuvent être issues de matières recyclées et/ou de refus industriels végétales. Elles peuvent également être issues de boues de désencrage et/ou d'autres 15 rejets industriels. De manière générale, ces compositions sont principalement composées de charges minérales et/ou de matières organiques. Ainsi, la composition liante peut comprendre : - de l'eau, 20 - des fibres végétales naturelles (non recyclées) et/ou des fibres végétales recyclées, et - des charges minérales naturelles (non recyclées) et/ou des charges minérales recyclées. La présente invention permet donc de combiner des fibres végétales (recyclées et/ou 25 non recyclées) et des charges minérales (recyclées et/ou non recyclées) dans une composition homogène. Comme déjà indiqué, la composition liante présente un rapport massique fibres végétales/charges minérales compris entre 99/1 et 2/98, avantageusement entre 95/5 et 15/85, avantageusement entre 80/20 et 20/80. De manière avantageuse, elle comprend 30 5 à 500 grammes du mélange fibres végétales et charges minérales, par litre d'eau, plus avantageusement 10 grammes à 100 grammes, et encore plus avantageusement 20 grammes à 50 grammes. 3059345 7 Selon un mode de réalisation particulier, la composition liante peut également comprendre au moins un additif, par exemple un modificateur de rhéologie, ou un agent d'amélioration des caractéristiques mécaniques. Dans la composition liante, le au 5 moins un additif représente avantageusement entre 0 et 50% par rapport à la masse de la composition liante. Cependant, outre d'éventuelles impuretés, la composition selon l'invention est avantageusement constituée d'eau, de fibres végétales (recyclées ou non) et de charges 10 minérales (recyclées ou non). Les éventuelles impuretés peuvent notamment provenir de la suspension fibreuse utilisée pour préparer les fibres végétales de la composition liante. La composition liante selon l'invention correspond à une composition avec une 15 répartition homogène dans le volume de ses constituants, le raffinage permettant de fragmenter les charges minérales et de, au moins partiellement, les enrober dans les fibres végétales. Procédé de préparation de la composition liante : 20 La présente invention concerne également le procédé de préparation de la composition liante. Comme déjà indiqué, les propriétés de la composition liante résultent du raffinage des 25 fibres végétales en présence de charges minérales. Ce procédé comprend les étapes suivantes : - préparation d'une suspension de fibres végétales et de charges minérales dans l'eau, le rapport massique entre les fibres végétales et les charges minérales étant 30 compris entre 99/1 et 2/98, avantageusement entre 95/5 et 15/85, plus avantageusement entre 80/20 et 20/80, - raffinage de cette suspension. 3059345 8 Préalablement au raffinage, ce procédé peut également comprendre une étape de fractionnement et/ou une étape de traitement enzymatique. Le procédé peut donc comprendre la séquence suivante : 5 a) préparation d'une suspension de fibres végétales et de charges minérales dans l' eau, b) optionnellement fractionnement de cette suspension, c) optionnellement traitement enzymatique de cette suspension, d) raffinage de cette suspension. 10 a) Préparation d'une suspension de fibres végétales et de charges minérales dans l'eau La suspension de fibres végétales et de charges minérales dans l'eau selon l'invention 15 peut être préparée à partir de fibres végétales recyclées ou non et de charges minérales recyclées ou non. Elle peut donc résulter au moins en partie de matières recyclées, par exemple des matières issues du recyclage du papier ou du carton. En fonction de la nature des matières recyclées, des fibres végétales non recyclées 20 et/ou des charges minérales non recyclées peuvent être rajoutées pour atteindre le rapport massique fibres végétales/charges minérales désiré. Comme déjà indiqué, les fibres végétales et/ou les charges minérales peuvent être issues de matières recyclées et/ou de refus industriels végétales. A titre d'exemple, 25 elles peuvent provenir de boues de papeterie, notamment des boues de désencrage ou des boues d'épuration, et/ou d'autres refus industriels, et/ou du gâteau de filtration des eaux blanches d'une machine à papier. De manière générale, la suspension de fibres végétales (suspension fibreuse) comprend 30 généralement 5 grammes à 500 grammes de constituants de la composition liante par litre d'eau, plus avantageusement 10 grammes à 100 grammes, et encore plus avantageusement 20 grammes à 50 grammes. 3059345 9 Les matières recyclées sont généralement soumises à des prétraitements permettant d'isoler, lors de procédés de recyclages, des fractions enrichies en charges minérales recyclées et en fibres végétales de taille moyenne généralement inférieure à 2000 micromètres. 5 Aussi, dans la suspension aqueuse, les fibres végétales présentent une taille moyenne qui est avantageusement inférieure à 5000 micromètres, plus avantageusement inférieure à 2000 micromètres, plus avantageusement inférieure à 1000 micromètres et encore plus avantageusement inférieure à 800 micromètres. 10 L'addition éventuelle de charges minérales pourra être réalisée avant et/ou après l'étape de fractionnement. Elle pourra également être réalisée avant et/ou après l'étape de traitement enzymatique. Ainsi, les étapes optionnelles (fractionnement et traitement enzymatique) peuvent être réalisées en l'absence de charges minérales. Seule l'étape 15 de raffinage est nécessairement réalisée en présence de fibres végétales et de charges minérales. b) Fractionnement optionnel 20 L'étape de fractionnement est optionnellement réalisée préalablement au raffinage, et le cas échéant préalablement à un traitement enzymatique. Le fractionnement de la suspension de fibres végétales permet d'enrichir la suspension en fibres végétales courtes dont la taille moyenne est avantageusement inférieure à 25 2000 micromètres, plus avantageusement inférieure à 1000 micromètres, et encore plus avantageusement inférieure à 800 micromètres. Le cas échéant, c'est-à-dire lorsque la suspension de fibres comprend des charges minérales, le fractionnement peut également enrichir la suspension en charges minérales. 30 3059345 10 Ainsi, comparée à une suspension de fibres non enrichie grâce au fractionnement, la suspension enrichie en fibres végétales courtes et/ou en charges minérales permet de faciliter l'enrobage des charges minérales et, par conséquent, la fabrication de la composition liante à moindre énergie. 5 Le fractionnement peut être réalisé selon les techniques conventionnelles, notamment par classage à fentes et/ou à trous et/ou par hydrocyclone et/ou par épaississeur laveur. A l'issue du fractionnement, des charges minérales peuvent être éventuellement 10 rajoutées à la suspension de fibres végétales. Des fibres végétales non fractionnées peuvent également être rajoutées, ces fibres végétales ayant une taille moyenne avantageusement inférieure à 5000 micromètres. c) Traitement enzymatique optionnel 15 Selon un mode de réalisation particulier, les fibres végétales peuvent subir un traitement enzymatique préalablement à l'étape de raffinage. Ce traitement est avantageusement réalisé après une étape de fractionnement. 20 Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, le procédé de préparation de la composition liante comprend les étapes suivantes : - fractionnement d'une suspension de fibres recyclées ou non pouvant également comprendre des charges minérales recyclées ou non, 25 - optionnellement, addition de charges minérales recyclées ou non et/ou de rejets industriels à la suspension résultant du fractionnement, - traitement enzymatique de cette suspension, - optionnellement, addition de charges minérales recyclées ou non et/ou de rejets industriels à cette suspension, 30 - raffinage de cette suspension de fibres végétales et de charges minérales. 3059345 11 Le traitement enzymatique peut être réalisé en présence, ou non, de charges minérales. En effet, des charges minérales peuvent être introduites préalablement au traitement enzymatique, ou entre le traitement enzymatique et le raffinage 5 Le traitement enzymatique est avantageusement réalisé en présence d'un mélange d'enzymes, et ce préalablement au raffinage. Ces enzymes sont aptes à dégrader au moins un des constituants des fibres végétales, à savoir la lignine et/ou la cellulose et/ou l'hémicellulose. De manière générale, ces 10 enzymes peuvent fragiliser les fibres végétales par altération de ses constituants. L'homme du métier saura choisir les enzymes adéquates ainsi que les conditions de traitement en fonction de la nature de ces dernières. 15 L'activité de l'enzyme peut être stoppée par exposition de la suspension à de la vapeur d'eau. A l'issue du traitement enzymatique, des charges minérales peuvent être éventuellement rajoutées à la suspension de fibres végétales. Des fibres végétales non 20 traitées enzymatiquement peuvent également être rajoutées. d) Raffinage des fibres végétales en présence de charges minérales Comme déjà indiqué, le raffinage des fibres végétales est réalisé en présence de 25 charges minérales. Il permet de développer la surface spécifique des fibres végétales et d'enrober au moins partiellement les charges minérales avec les fibres végétales. De manière avantageuse, le raffinage ne modifie pas la concentration de la suspension en fibres végétales et en charges minérales. La quantité de chacun des constituants de 30 la composition liante est donc avantageusement déterminée juste avant de réaliser le raffinage. 3059345 12 Le raffinage est avantageusement réalisé après une étape de fractionnement et/ou après une étape de traitement enzymatique. Avant raffinage les charges minérales se présentent généralement sous la forme 5 d'agglomérats de charges. En outre, les charges minérales en agglomérats issus du recyclage présentent généralement une taille, pour les plus grosses, pouvant aller de 400 micromètres à 1000 micromètres, ce qui est incompatible avec une utilisation immédiate pour fabriquer du papier sans conséquences négatives. 10 De manière générale, le raffinage d'une suspension fibreuse permet de comprimer et de cisailler les fibres végétales. Dans le cas présent, le raffinage permet également de diminuer la taille des charges minérales, notamment en cassant les agglomérats de charges minérales. Le raffinage simultané des fibres et des charges permet également d'enrober les charges au moins partiellement dans les fibres au fur et à mesure du 15 processus de fabrication de la composition liante. Le raffinage permettant de fragmenter les charges minérales (ou les agglomérats), à l'issue du raffinage, les charges minérales recyclées (ou les agglomérats) ont généralement subi une augmentation d'un facteur d'au moins 1,5 à 30 par rapport à 20 leur surface spécifique initiale, préférentiellement d'au moins 5 et possiblement de l'ordre de 10. En d'autres termes, le raffinage augmente la surface spécifique des charges minérales recyclées. Les charges minérales raffinées et enrobées au moins partiellement par les fibres 25 végétales présentent alors une taille moyenne avantageusement centrée autour de 1 micromètre à 100 micromètres, plus avantageusement autour de 10 micromètres à 50 micromètres. Elles peuvent également se présenter sous forme de charges unitaires et/ou d'agrégats de charges unitaires. 30 Par taille, on entend la dimension la plus importante des charges ou des agglomérats après l'étape de raffinage, par exemple le diamètre pour des charges ou des agglomérats sphériques. 3059345 13 Ainsi, ce procédé est particulièrement adapté pour utiliser des produits issus du recyclage du papier ou du carton, qui pouvaient jusque-là être jugés indésirables en raison de l'éventuelle présence de charges minérales et d'éléments cellulosiques fins. 5 A l'issue du raffinage, les fibres raffinées présentent une longueur moyenne pondérée en surface avantageusement comprise entre 10 micromètres et 700 micromètres, plus avantageusement entre 10 et 500 micromètres, en moyenne de l'ordre de 250 micromètres à 400 micromètres. 10 En outre, la composition liante présente une concentration ayant une teneur en matières sèches (fibres végétales + charges minérales) avantageusement comprise entre 5 et 500 grammes par litre d'eau, plus avantageusement de l'ordre de 10 à 100 grammes par litre d'eau, et encore plus avantageusement de 20 grammes à 50 grammes. 15 Utilisation de la composition liante : La présente invention concerne également l'utilisation de la composition liante dans un procédé de fabrication du papier ou du carton, mais aussi un procédé de fabrication du papier ou du carton. 20 Cette composition liante est utilisable par exemple dans un procédé de fabrication de papier ou de carton, et/ou de fabrication de bio-matériaux et/ou de composites. En effet, elle permet d'améliorer la cohésion entre les fibres végétales, de fixer des charges minérales dans le produit fini, et de participer à l'amélioration des propriétés 25 mécaniques. Lorsque la composition liante est utilisée en tant qu'additif dans un procédé conventionnel de fabrication du papier ou du carton, elle est avantageusement introduite dans la pâte diluée, par exemple dans la caisse de tête, et/ou dans une caisse 30 de tête compartimentée. La quantité de composition liante introduite représente alors avantageusement 0,5 à 10% massique par rapport à la masse de la suspension de fibres. 3059345 14 La composition liante peut également être appliquée sur du papier ou du carton déjà formé. Il s'agit alors d'un traitement de surface dans lequel la composition liante est avantageusement appliquée par l'intermédiaire de rampes de pulvérisation et/ou par enduction, par exemple en couchage ou en size press. Cette composition liante permet d'apporter les propriétés mécaniques de cohésion interne, traction, éclatement, compression etc.... et/ou de douceur et/ou diminution de la perméabilité, et/ou une meilleure rétention des charges, sans pour autant gêner le processus d'égouttabilité lors de la formation du papier ou du carton. Au regard de ses propriétés, la composition liante selon l'invention peut être utilisée pour préparer tout type de papier ou de carton. Ainsi, elle peut être introduite dans une couche spécifique dans un stratifié (procédé de stratification de couches hétérogènes). 15 Elle peut également être utilisée pour augmenter la quantité de charges minérales dans les papiers d'impression et d'écriture et/ou les papiers sanitaires ou domestiques (essuie-tout, mouchoir, papier toilette, serviette...). 20 5 10 REVENDICATIONS1. Composition liante contenant de l'eau, des fibres végétales et des charges minérales, le rapport massique entre les fibres végétales et les charges minérales étant compris entre 99/1 et 2/98, les fibres végétales et les charges minérales ayant été simultanément raffinées. Composition liante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la composition présente un rapport massique fibres végétales/charges minérales compris entre 95/5 et 15/85, avantageusement entre 80/20 et 20/80. Composition liante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la composition est constituée d'eau, de fibres végétales et de charges minérales. Composition liante selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les charges minérales sont choisies dans le groupe comprenant le carbonate de calcium, le kaolin, le dioxyde de titane, le talc, et leurs mélanges. Composition liante selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les charges minérales et/ou les fibres végétales sont issues de filières de recyclage du papier ou du carton. Utilisation de la composition selon l'une des revendications 1 à 5 dans un procédé de fabrication du papier ou du carton. 102. 3. 15 4. 20 5. 25 6. 3059345 16 7. Procédé de préparation de la composition selon l'une des revendications 1 à 5, selon les étapes suivantes : préparation d'une suspension de fibres végétales et de charges minérales dans l'eau, le rapport massique entre les fibres végétales et les charges minérales étant compris entre 99/1 et 2/98, avantageusement entre 95/5 et 15/85, raffinage de cette suspension. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres végétales sont traitées enzymatiquement préalablement à l'étape de raffinage. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que des charges minérales sont introduites préalablement au traitement enzymatique. Procédé selon l'une des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que des charges minérales sont introduites entre le traitement enzymatique et le raffinage. Procédé selon l'une des revendications 7 à. 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fractionnement préalable au raffinage Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fractionnement suivie d'une étape de traitement enzymatique, préalablement au raffinage. 5 8. 9. 10. 11. 12.25