Brevet FR3120206A1 — publié le 20220902

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un matériau composite ligno-cellulosique, un matériau composite ligno-cellulosique susceptible d’être obtenu par ce procédé et l’utilisation de ce matériau composite ligno-cellulosique. PROCEDE DE FABRICATION D’UN MATERIAU COMPOSITE LIGNO-CELLULOSIQUE ET MATERIAU COMPOSITE OBTENU PAR CE PROCEDE DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un matériau composite ligno-cellulosique, un matériau composite ligno-cellulosique susceptible d’être obtenu par ce procédé et l’utilisation de ce matériau composite ligno-cellulosique. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE La production de plastiques est aujourd’hui d'environ 320 millions de tonnes par an et environ 40% du plastique produit est utilisé dans le secteur de l'emballage. La fabrication de plastiques pour l'emballage est projetée à 1,2 milliard de tonnes par an d'ici 2050. Dans le secteur automobile, le pourcentage des matériaux plastiques qui sont à recycler équivaut à 7,6 millions de tonnes et augmente de 3 à 5% par an. Les consommateurs étant de plus en plus attentifs au développement durable, l’industrie se doit de changer de paradigme pour répondre aux attentes de ces derniers. Le besoin se tourne ainsi vers des matériaux légers, performants et à l’empreinte carbone faible tels que les matériaux composites biosourcés. De nombreux constructeurs et équipementiers se sont massivement tournés vers de nouveaux composites à base de fibres naturelles, comme le montre la hausse d’utilisation de 21% des composites de bois en 2019, et en particulier vers des composites à base de chanvre, permettant ainsi de prolonger le cycle de vie du carbone tout en offrant une alternative forte au plastique et à l’aluminium. Ainsi, les matériaux composites biosourcés et leurs procédés de fabrication constituent un espoir majeur pour l’industrie et plus largement celle de la mobilité, afin de réduire de 37,5% d’ici 2030 le seuil d’émissions CO 2 fixé par la Commission Européenne. Les matériaux composites actuels sont fabriqués à partir de pré-imprégnés polymère/cellulose ou polymère/bois sous la forme de master-batch. Les procédés de fabrication de l’art antérieur existants comme le master-batch présentent de nombreuses contraintes listées ci-dessous : - difficulté de préparation du master-batch: la préparation d’un master-batch ligno-cellulosique/polymère (type WPC) est longue et complexe puisqu’elle nécessite le broyage du bois en fibres discrètes suivi du mélange des fibres obtenues avec un polymère, la dispersion des fibres devant être réalisée de manière contrôlée et homogène pour conférer des caractéristiques constantes et répliquables au matériau final. S’ajoute également la nécessité d’avoir un matériau pré-mélangé prêt à être mis en œuvre et la difficulté d’adhésion entre les fibres cellulosiques hydrophiles et le polymère hydrophobe. En effet, il est difficile de contrôler le taux d’humidité (hygroscopie) des fibres non-traitées ou copeaux (à la différence des fibres discrètes traitées comme dans l’industrie du papier rendues hydrophobes) et le renfort ligno-cellulosique utilisé présente une tendance de reprise en eau, créant ainsi défauts d’adhésion polymère-bois lors de la préparation du master-batch et ultérieurement des problèmes de délaminage de l’objet ; - difficulté de mise en œuvre quand le taux de fibres est supérieur à 40% : le procédé master-batch nécessite de fournir un mélange présentant une faible viscosité pour faciliter le procédé de transformation (injection, extrusion, moulage, etc.) or plus la densité de fibres est élevée, plus le mélange est visqueux et bouche l’outil ; - difficulté de mise en œuvre et retrait différentiel quand le taux de fibre est inférieur à 20% : plus le taux de fibre est bas, plus le coefficient de retrait de la matière augmente (et s’éloigne de la géométrie attendue « net shape ») créant ainsi des problèmes de démoulage de la pièce dans l’outillage et de souillage de l’outil. Parallèlement, plus le taux de fibre baisse plus la performance environnementale du produit baisse ; - difficulté d’homogénéité et de répétabilité technique : la dispersion des fibres doit se faire uniformément dans la matrice polymère pour assurer des caractéristiques techniques homogènes et répétables/répliquables. Or, moins il y a de polymère et plus il est difficile de disperser uniformément les fibres dans la matrice. Ce procédé génère également d’importants rebuts de production et de déchets industriels ; - difficultés esthétiques : plus la sciure de bois est fine et moins le matériau présente les qualités esthétiques recherchées (aspect de naturalité). A contrario, plus les copeaux sont gros (de taille supérieure à 10 mm) plus il est difficile de mettre en œuvre le master-batch (il est impossible d’injecter ou d’extruder avec de gros copeaux car l’outil se bouche) ; - autres difficultés esthétiques telles que les problèmes liés à l’uniformité de la couleur (copeaux/sciures plus ou moins chargés en lignine, donnant différentes couleurs aux matériaux ligno-cellulosiques) et liés à l’odeur dû à la présence d’extractibles types terpènes ; - difficulté technique d’assemblage : afin d’aboutir aux caractéristiques esthétiques recherchées, les procédés de l’art antérieur font état d’une accumulation de couches collées par chaleur ou ultrasons (une couche de structure en sciure fine puis une couche de finition en copeaux plus gros) multipliant ainsi les opérations techniques, complexifiant l’assemblage dû à une tension de surface différentielle et augmentant le temps de cycle et le coût résultant ; - difficulté de recyclage et de performance environnementale : les solutions actuelles en multicouches par moulage d’un mélange en feuille (SMC) ou co-extrusion/injection utilisent des formulations différentes (différents types de polymères, de couches d’additifs et agents de couplage bois-polymère) ce qui conduit à un assemblage multi-matériaux et complexifie, voire rend impossible le recyclage. Cette difficulté souligne l’importance de privilégier des solutions mono-matériau pour les différentes fonctionnalités du produit (capot, pas de vis, systèmes d’ouvertures, surface de finition, etc.). Les matériaux composites cellulosiques obtenus selon les procédés de l’art antérieur sont des matrices polymères avec un renfort fibreux intérieur (réseau anarchique de fibres encapsulé dans des granulés polymère). De façon surprenante et inattendue, les inventeurs ont trouvé que le procédé selon l’invention permettait de pallier aux inconvénients des procédés de l’art antérieur tout en permettant d’obtenir un matériau composite renforcé par l’extérieur, biosourcé, pouvant être recyclé, permettant de développer de nouvelles pièces techniques (notamment pour l’industrie du packaging, du transport et du bâtiment) légères, peu onéreuses, à l’empreinte carbone faible et présentant d’excellentes propriétés mécaniques et physico-chimiques. Procédé de fabrication d’un matériau composite ligno-cellulosique comprenant les étapes suivantes : - (1) une étape d’imprégnation d’un matériau ligno-cellulosique par au moins un élément de remplissage de sorte à obtenir un matériau ligno-cellulosique imprégné ; - (2) une étape de broyage du matériau ligno-cellulosique imprégné obtenu à l’issue de l’étape (1) de sorte à obtenir des copeaux de matériau ligno-cellulosique imprégnés ; - (3) une étape de mise en œuvre des copeaux de matériau ligno-cellulosique imprégnés obtenus à l’issue de l’étape (2) de sorte à obtenir un matériau composite ligno-cellulosique. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le au moins un élément de remplissage est choisi parmi les résines naturelles, les résines synthétiques, et leurs mélanges. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les résines naturelles sont choisies dans le groupe consistant en les cires naturelles et leurs dérivés, les graisses naturelles et leurs dérivés, les huiles végétales et leurs dérivés, les protéines et leurs dérivés, les polypeptides et leurs dérivés, la cellulose et ses dérivés, la chitine et ses dérivés, l’amidon et ses dérivés, et leurs mélanges. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les résines synthétiques sont choisies dans le groupe consistant en les cires synthétiques et leurs dérivés, les graisses synthétiques et leurs dérivés, les huiles minérales et leurs dérivés, les huiles synthétiques et leurs dérivés, les polymères thermoplastiques et leurs copolymères, les polymères thermodurcissables et leurs copolymères, les vitrimères, et leurs mélanges. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en que ce que les polymères thermoplastiques et leurs copolymères sont choisis dans le groupe consistant en les polyoléfines issues de monomères vinyliques, les polyoléfines issues de monomères acryliques, les polyoléfines issues de monomères méthacryliques, les polyacétals, les polyimides, les polyétherimides, les élastomères thermoplastiques, les silicones, les polysiloxanes, les polyesters, les polyamides, les polyuréthanes, les fluoropolymères, les polycarbonates, les polyéthers aliphatiques, les polyéthers aromatiques, les polysulfures de phénylène, les polycétones, les polyaryléthercétones, les polysulfones, les polyéthersulfones, les polyaryléthersulfones, les colles thermofusibles non réticulantes, les polymères à base d’oxétanes, et leurs mélanges. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en que ce que les polymères thermodurcissables et leurs copolymères sont choisis dans le groupe consistant en les époxy, les hydrogels, les polymères à base de diallyl phtalates, les polymères à base de mélamine et/ou d’urée et/ou de formaldéhyde, les polymères à base de phénol et/ou de formaldéhyde, et leurs mélanges. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en que ce composé de remplissage est sous la forme d’une solution monomérique ou d’une formulation monomérique comprenant un ou plusieurs monomères polymérisables conduisant à la formation de polymères thermoplastiques ou thermodurcissables, avec ou sans agent activant la polymérisation de ces monomères. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de mise en œuvre est une étape de mise en forme de preférence choisie dans le groupe consistant en l’extrusion telle que l’extrusion-soufflage et l’extrusion-gonflage, la compression telle que la thermocompression, l’injection, le soufflage, le gonflage, le moulage tel que le moulage sous vide, le moulage par injection, le moulage par centrifugation, le rotomoulage, le thermo-moulage, le moulage par compression, le moulage d’un mélange en feuille, le moulage d’un mélange en vrac, le moulage d’un mélange à mouler en pâte, le moulage d’un mélange à mouler épais, le moulage par transfert de résine, et la combinaison de ces derniers. Procédé selon l’une quelconque de revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins étape choisie parmi une étape de délignification partielle ou totale du matériau ligno-cellulosique, une étape d’extraction partielle ou totale des extractibles et chromophores du matériau ligno-cellulosique, une étape d’activation des groupes hydroxyles, une étape d’oxydation du matériau ligno-cellulosique, une étape d’ajout de fibres, une étape de revêtement sol-gel, une étape d’ajout d’additifs, et des combinaisons de ces dernières. Matériau composite ligno-cellulosique susceptible d’être obtenu par le procédé tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il est renforcé par l’extérieur. Utilisation du matériau composite ligno-cellulosique selon la revendication 10 pour la fabrication de contenants, pièces ou surfaces.