Brevet FR3158522A1 — publié le 20250725

Butée de fixation de rail comprenant : - entre 10 % et 99,8 % de butées recyclées, - entre 0,1 % et 15 % d’au moins un additif choc, - entre 0,1 % et 2 % d’au moins un colorant, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Procédé de fabrication de la butée et installation pour la mise en œuvre du procédé. Butée de fixation de rail à base de butées recyclées, d’additif choc et de colorant L’invention se rapporte au domaine des matériaux polymères utilisés dans l’industrie ferroviaire. Plus particulièrement, l’invention concerne les butées utilisées dans les systèmes de fixation du rail sur les traverses en béton avec épaulement, définies dans la norme française NF F 50-021. L’invention concerne plus spécifiquement une butée de fixation de rail comprenant un matériau polymère, issu de butées recyclées, au moins un additif choc et au moins un colorant. L’invention se rapporte également à un procédé de fabrication d’une butée de fixation de rail à partir de butées recyclées. Enfin, l’invention concerne une installation pour la fabrication de butées de fixation de rail. Art antérieur Dans le cadre d’une économie durable, il apparaît nécessaire de mettre en place de nouvelles solutions de recyclage des matériaux dans l’industrie ferroviaire. Ce domaine d’activité génère l’emploi en grande quantité de pièces faites à partir de matériaux plastiques non recyclés. La masse de déchets ainsi engendrée est considérable. Par conséquent, leur valorisation constitue un enjeu crucial. Parmi les pièces en matière plastique utilisées dans l’industrie ferroviaire, on peut citer les butées de fixation de rail, qui sont utilisées sur les traverses en béton avec épaulement, et qui sont définies dans la norme française NF F 50-021. Elles permettent de maintenir l’écartement de la voie, d’absorber les efforts latéraux, de garantir l’isolation électrique et d’empêcher le contact attache/rail. Parmi les butées de fixation de rail, les butées isolantes trapézoïdales également désignées butées NABLA ® sont généralement fabriquées par injection de polyamide 6-6 (PA6-6), non chargé et à haute viscosité. Leur durée de vie est de 15 à 20 ans en moyenne. Lorsqu’elles ne sont plus opérationnelles, les butées usagées sont d’ordinaire incinérées ou recyclées (broyage et granulation). Actuellement, les granulats obtenus à l’issue du recyclage ne sont pas réinjectés pour fabriquer de nouvelles butées. En effet, le procédé de recyclage et le vieillissement des matériaux détériore particulièrement les propriétés mécaniques de la matière recyclée, notamment à cause des modifications structurelles des chaînes polymériques du PA6-6. À la connaissance du Demandeur, il n’existe pas sur le marché de butées de fixation de rail fabriquées à partir de butées recyclées, qui répondent à la norme NF F 50-021. Cette norme impose certaines caractéristiques géométriques, physiques et mécaniques auxquelles les butées doivent être conformes, pour pouvoir être réutilisées sur les voies ferrées. Dans le cadre d’une économie durable, il existe donc un besoin de développer des butées de fixation de rail à partir de butées recyclées, qui présentent des propriétés mécaniques satisfaisantes, ainsi qu’une couleur et une apparence conformes notamment à la norme NF F 50-021. En d’autres termes, l’un des buts de l’invention est de mettre au point une butée de fixation de rail à partir de butées recyclées, présentant au moins les mêmes propriétés mécaniques que des butées de fixation de rail d’origine. Un autre but de l’invention est de mettre au point une butée de fixation de rail à partir de butées recyclées, présentant une couleur semblable à celle des butées de fixation de rail d’origine. Le Demandeur a ainsi développé une butée de fixation de rail à partir de butées recyclées dont la nature et la proportion des éléments la constituant permettent de répondre à la norme NF F 50-021. Plus précisément, la présente invention concerne une butée de fixation de rail comprenant : - entre 10 % et 99,8 % de butées recyclées, - entre 0,1 % et 15 % d’au moins un additif choc, - entre 0,1 % et 2 % d’au moins un colorant, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Dans le cadre de l’invention, les termes « butée de fixation de rail », « butées NABLA ® », « butées », « butées isolantes trapézoïdales » et « simplex », « butée ferroviaire » sont synonymes et peuvent être utilisés de manière interchangeable. Par « butées recyclées », on désigne des butées usagées récupérées et traitées notamment selon le procédé de l’invention. Par « additif choc », on désigne un composé qui permet, lorsqu’il est ajouté dans une composition, d’en améliorer la résistance au choc mécanique. De préférence, la butée de fixation de rail comprend entre 50 % et 99,8 % de butées recyclées, en poids par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Selon un premier mode de réalisation, la butée de fixation de rail, hormis l’additif choc et le colorant, ne comprend que de la matière obtenue à partir de butées recyclées. Dans ce cas, la butée de fixation de rail comprend : - entre 83 % et 99,8 % de butées recyclées, - entre 0,1 % et 15 % d’au moins un additif choc, - entre 0,1 % et 2 % d’au moins un colorant, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Dans ce mode de réalisation, la butée de fixation de rail comprend, de préférence, entre 90 % et 99,8 % de butées recyclées, en poids par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Selon un second mode de réalisation et pour renforcer davantage encore les caractéristiques mécaniques notamment de la butée, celle-ci contient, hormis l’additif choc et le colorant, non seulement de la matière obtenue à partir de butées recyclées mais également du PA6-6 vierge. Dans ce cas, la butée de fixation de rail comprend : - entre 50 % et 89,8 % de butées recyclées, - entre 10 % et 49,8 % de PA6-6, - entre 0,1 % et 15 % d’au moins un additif choc, - entre 0,1 % et 2 % d’au moins un colorant, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. En pratique, l’additif choc permet d’améliorer la résistance au choc mécanique, la durabilité et la ténacité des butées recyclées selon l’invention, du fait de la dégradation du PA6-6 dans les butées usagées. Dans le cadre de l’invention, l’additif choc améliore la résistance au choc des butées de fixation de rail, à température ambiante et à basse température. De préférence, la butée de fixation de rail comprend entre 1% et 6% d’au moins un additif choc, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Selon un premier mode de réalisation, l’additif se présente sous la forme d’un polymère obtenu par polymérisation d’au moins un monomère choisi dans le groupe comprenant les alcènes, l’acrylate d’éthyle, l’anhydre maléique, l’acide acrylique. De préférence, l’additif choc est un terpolymère d’éthylène, d’acrylate d’éthyle et d’anhydre maléique. Avantageusement, le pourcentage massique d’unités monomériques d’acrylate d’éthyle est compris entre 20 % et 35 % et le pourcentage massique d’unités monomériques d’anhydre maléique est de préférence compris entre 0,5 % et 2 %. En variante, l’additif choc peut être une polyoléfine modifiée avec de l’anhydre maléique. Dans un autre mode de réalisation, l’additif choc est un polyacrylique. Selon une autre caractéristique de l’invention, le colorant est choisi dans le groupe comprenant les colorants blanc, noir, jaune, bleu, rouge et leurs mélanges. En pratique, certains colorants de cette liste sont mélangés pour obtenir la couleur blanc ivoire, vert, violet, gris, orange ou encore marron. Selon un mode de réalisation particulier, le colorant peut être un colorant blanc chargé à 60% en TiO 2 . Selon une autre caractéristique de l’invention, les butées recyclées sont obtenues par recyclage de butées usagées. Plus précisément, les butées recyclées sont obtenues par recyclage de butées usagées selon le procédé comprenant les étapes suivantes : - récupération des butées usagées, - lavage des butées usagées, - éventuellement séchage des butées lavées, - éventuellement déchiquetage des butées usagées, - broyage des butées usagées pour obtenir des broyats, - éventuellement séparation des fines, - éventuellement lavage puis éventuellement séchage des broyats. En pratique, l’étape de récupération des butées usagées comprend une étape de tri préalable au lavage des butées usagées. Les butées peuvent ainsi être triées en fonction de leur couleur et/ou de leur géométrie. Dans un mode de réalisation avantageux, l’étape de tri préalable conduit à ne sélectionner que les butées constituées exclusivement de PA66 non chargé. Tout d’abord, les butées usagées sont lavées. Avantageusement, le lavage des butées usagées est réalisé par aspersion par un jet d’eau à haute pression. Les butées sont ensuite de préférence immergées dans un bain à ultrasons, ledit bain comprenant de préférence une solution aqueuse acide, dont la température est comprise entre 40°C et 80°C, de préférence à 60°C. Dans un mode de réalisation avantageux, la solution aqueuse acide comprend un tensioactif. Les butées sont ensuite rincées, de nouveau, de préférence par aspersion par jet d’eau. Elles sont de préférence séchées par la suite. Dans un mode de réalisation particulier, les butées lavées puis séchées sont ensuite déchiquetées grossièrement dans un déchiqueteur à une taille moyenne comprise entre 10 et 50 mm. La matière déchiquetée est ensuite broyée, par exemple dans un broyeur, pour obtenir des broyats de taille moyenne comprise entre 6 et 10 mm, de préférence de l’ordre de 8 mm. Dans un autre mode de réalisation, les butées lavées puis séchées sont directement broyées pour obtenir des broyats de taille moyenne comprise entre 6 et 10 mm, de préférence de l’ordre de 8 mm. Dans un mode de réalisation spécifique, les fines sont séparées par flux d’air Optionnellement, les broyats retenus sont ensuite lavés par immersion dans de l’eau avec présence ou non de composés détergents, de préférence alcaline, à une température, de préférence de 60°C. Dans ce mode de réalisation les broyats lavés obtenus sont séchés à une température comprise entre 40 et 60°C, de préférence de l’ordre de 50°C pendant une durée comprise entre 4 et 6 h. En pratique, les broyats sont séchés dans une étuve ventilée. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une butée de fixation de rail selon l’invention, comprenant les étapes suivantes : - mélange des butées recyclées avec au moins un additif choc et au moins un colorant tels que décrits ci-avant, et - moulage des butées par injection du mélange. Selon l’invention, le mélange est obtenu par granulation des broyats des butées recyclées, elles-mêmes obtenues selon le procédé précédemment décrit, en présence d’au moins un additif choc et d’au moins un colorant. L’invention concerne également une installation pour la mise en œuvre du procédé de fabrication d’une butée de fixation de rail selon l’invention. L’installation comprend : - un moyen de recyclage des butées usagées, - un moyen de mélange des butées recyclées avec au moins un additif choc et au moins un colorant, - un moyen de moulage par injection dudit mélange. En pratique, le moyen de recyclage des butées usagées comprend : - éventuellement un moyen de tri des butées usagées récupérées, en fonction de leur couleur et/ou de leur géométrie, - un moyen de lavage des butées usagées triées, - éventuellement un moyen de séchage des butées lavées, - éventuellement un moyen de déchiquetage des butées usagées triées, - un moyen de broyage des butées usagées éventuellement déchiquetées, - éventuellement un moyen de séparation des fines., - éventuellement un moyen de lavage des broyats, - éventuellement, un moyen de séchage des broyats lavés. Selon l’invention, le moyen de déchiquetage des butées usagées se présente sous la forme d’un déchiqueteur mono-arbre et le moyen de broyage se présente sous la forme d’un broyeur à couteaux, sans être limité à ces technologies. En pratique, le moyen de séparation des fines est un cyclone ou une table vibrante. De même, le moyen de mélange se présente sous la forme d’une extrudeuse dans laquelle les butées recyclées dans l’installation ci-dessus sont granulées en présence d’au moins un additif choc et d’au moins un colorant. Selon l’invention, l’installation comprend en outre une presse à injecter le mélange ainsi obtenu. FIG. 1 est un diagramme montrant les étapes du procédé de fabrication de butées de fixation de rail de l’invention, selon un mode de réalisation préféré. FIG. 2 est une photographie d’une butée de fixation de rail selon l’invention (gauche) et d’une butée de fixation de rail non conforme à l’invention (droite). Exemples de réalisation de l’invention Exemple 1 : Fabrication des butées de fixation de rail E1 à E3, obtenues par le procédé de recyclage de butées usagées selon l’invention de couleur blanc ivoire Les butées usagées sont récupérées et triées en fonction de leur couleur, et de leur géométrie. Les butées trapézoïdales ayant un coloris proche du blanc sont sélectionnées (voir FIG. 1 ). Dans une seconde étape, les butées usagées blanches sélectionnées sont lavées selon le procédé suivant : elles sont aspergées par un jet d’eau à haute pression, puis immergées dans un bain à ultrasons. Le bain consiste en une solution aqueuse acide. La solution est portée à 60°C et soumise à des ultrasons de fréquence égale à 3 kHz. Les butées sont rincées puis aspergées de nouveau par un jet d’eau à haute pression et enfin séchées. Une fois les butées séchées, elles sont introduites dans un broyeur à couteaux pour obtenir des broyats d’environ 8 mm. Éventuellement, les fines sont séparées au moyen d’un cyclone. Les broyats sont alors introduits dans une extrudeuse avec 2% d’un additif choc comprenant un terpolymère d’éthylène, d’acrylate d’éthyle et d’anhydre maléique, et avec 0,2% d’un colorant blanc, en poids, par rapport au poids total du mélange. Le mélange est chauffé et extrudé pour former des granulés. Ces granulés sont par la suite moulés par injection pour obtenir une butée de fixation de rail E1 selon l’invention. Les butées de fixation de rail E2 et E3 selon l’invention sont obtenues au moyen du même procédé, mais en extrudant les granulats avec 5% d’un additif choc comprenant un terpolymère d’éthylène, d’acrylate d’éthyle et d’anhydre maléique, et avec respectivement 1% et 0,2% de colorant blanc. Exemple 2 : Fabrication des butées de fixation de rail CE1 à CE3 (contre-exemples) On fabrique les butées CE1 à CE3 qui correspondent aux contre-exemples. Les butées CE1 et CE2 sont des butées neuves composées à 100% de PA6-6 non recyclé. La butée CE3 est obtenue par broyage de butées usagées non lavées, lavage standard à l’eau des broyats, mélange des broyats dans une extrudeuse avec 5% d’un additif choc comprenant un terpolymère d’éthylène, d’acrylate d’éthyle et d’anhydre maléique, et avec 1% d’un colorant blanc, en poids, par rapport au poids total du mélange. Les propriétés mécaniques des butées de fixation de rail E1 à E3, et CE1 à CE3 sont testées aux exemples 3, 4 et 5. Exemple 3 : Détermination de la résistance au choc des butées de fixation de rail E1 à E3, et CE1 à CE3 Les butées sont placées dans un appareil conforme à la norme NF F 50-021. Une masse de 5 kg est lâchée à une hauteur de 40 cm sur une pièce métallique qui transmet l’effort de choc à la butée. L’essai est réalisé à une température de (20 ± 5)°C. Pour chaque type de butée, 55 spécimens sont soumis à l’essai. Aucune butée ne doit être fêlée ou cassée. Exemple 4 : Détermination de la hauteur moyenne de rupture par choc des butées de fixation de rail E1 à E3, et CE1 à CE3 Les butées sont placées dans un appareil conforme à la norme NF F 50-021. Un premier choc est effectué à une hauteur h 1 égale à 40 cm. Si la butée est intacte, l’essai suivant est réalisé à une hauteur de h 1 +10 cm. La hauteur est incrémentée de 10 cm jusqu’à la rupture de la butée. Si la butée est intacte après un choc d’une hauteur de 150 cm, cette valeur est notée. La hauteur moyenne de rupture est mesurée pour 10 butées, elle doit être strictement supérieure à 0,70 m. Exemple 5 : Détermination de la résistance à la compression des butées de fixation de rail E1 à E3, et CE1 à CE3 La butée testée est mise en place dans un dispositif conforme à la norme NF F 50-021. Le dispositif est compressé par une charge de 60 kN, et la valeur de la déformation maximale de la butée est relevée. La déformation résultant de la compression doit être inférieure à 1,6 mm pour les butées de type 5 et inférieure à 1,8 mm pour les butées de type 9. La déformation résiduelle résultant de la compression doit être inférieure ou égale à 0,5 mm. La butée ne doit présenter ni cassure, ni fêlure, ni exfoliation visible à la loupe de grossissement 6, à l’issue de cette compression. Les résultats des tests mécaniques sont reportés dans le tableau 1. Tableau 1 : propriétés mécaniques des butées E1 à E3, et CE1 à CE3 Les butées E1, E2 et E3 selon l’invention sont conformes aux exigences fixées par la norme. Elles présentent notamment une résistance au choc similaire à celles des butées neuves CE1 et CE2. L’ajustement de la proportion d’additif choc ajoutée permet d’obtenir un équilibre entre résistance et choc et résistance à la compression. A une concentration faible (2%), la hauteur de rupture est plus faible ce qui dénote une résistance au choc réduite. A une concentration en additif choc élevée (5%), la hauteur de rupture est plus élevée ce qui traduit une résistance au choc plus importante et implique une résistance à la compression réduite. Exemple 6 : Évaluation du coloris des butées de fixation de rail selon l’invention Les butées sont représentées la FIG. 2 . La butée à gauche représente la butée E2, comprenant 5% d’additif choc et 1% de colorant blanc. Elle est conforme à l’invention. La butée de droite, non conforme à l’invention, correspond à la butée CE3 comprenant 5% d’additif choc et 1% de colorant blanc. Elle est obtenue à partir à partir de butées usagées non lavées. Il apparaît que la butée E2 présente un coloris blanc, contrairement à CE3 qui affiche une teinte grise. En conclusion, les butées selon l’invention présentent un coloris blanc recherché. Butée de fixation de rail comprenant : - entre 10 % et 99,8 % de butées recyclées, - entre 0,1 % et 15 % d’au moins un additif choc, - entre 0,1 % et 2 % d’au moins un colorant, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Butée de fixation de rail selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend : - entre 83 % et 99,8 % de butées recyclées, - entre 0,1 % et 15 % d’au moins un additif choc, - entre 0,1 % et 2 % d’au moins un colorant, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Butée de fixation de rail selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend : - entre 50 % et 89,8 % de butées recyclées, - entre 10 % et 49,8 % de PA6-6, - entre 0,1 % et 15 % d’au moins un additif choc, - entre 0,1 % et 2 % d’au moins un colorant, en poids, par rapport au poids total de la butée de fixation de rail. Butée de fixation de rail selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l’additif choc est un terpolymère d’éthylène, d’acrylate d’éthyle et d’anhydre maléique. Butée de fixation de rail selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le colorant est choisi dans le groupe comprenant les colorants blanc, noir, jaune, bleu, rouge, et leurs mélanges. Butée de fixation de rail selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les butées recyclées sont obtenues par recyclage de butées usagées selon le procédé comprenant les étapes suivantes : - récupération des butées usagées, - lavage des butées usagées, - éventuellement séchage des butées lavées, - éventuellement déchiquetage des butées usagées, - broyage des butées usagées pour obtenir des broyats, - éventuellement séparation des fines, - éventuellement lavage puis éventuellement séchage des broyats. Butée de fixation de rail selon la revendication 6, caractérisée en ce que le lavage des butées usagées est réalisé par aspersion d’un jet d’eau à haute pression puis immersion desdites butées usagées dans un bain à ultrasons. Butée de fixation de rail selon la revendication 7, caractérisée en ce que le bain à ultrasons comprend une solution aqueuse acide, dont la température est comprise entre 40°C et 80°C. Butée de fixation de rail selon l’une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que, préalablement à leur lavage, les butées usagées sont triées en fonction de leur couleur et/ou de leur géométrie. Procédé de fabrication d’une butée de fixation de rail selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant les étapes suivantes : - mélange des butées recyclées, avec au moins un additif choc et au moins un colorant, et - moulage des butées par injection du mélange. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le mélange est obtenu par granulation des butées recyclées selon l’une des revendications 6 à 8 en présence d’au moins un additif choc et d’au moins un colorant. Installation pour la mise en œuvre du procédé objet de l’une des revendications 10 à 11, caractérisée en ce qu’elle comprend : - un moyen de recyclage des butées usagées, - un moyen de mélange des butées recyclées avec au moins un additif choc et au moins un colorant , - un moyen de moulage par injection dudit mélange. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que le moyen de recyclage des butées usagées comprend : - éventuellement un moyen de tri des butées usagées récupérées en fonction de leur couleur et/ou de leur géométrie, - un moyen de lavage des butées usagées triées, - éventuellement un moyen de séchage des butées lavées, - éventuellement un moyen de déchiquetage des butées usagées triées, - un moyen de broyage des butées usagées éventuellement déchiquetées, et - éventuellement un moyen de séparation des fines, - éventuellement un moyen de lavage des broyats - éventuellement, un moyen de séchage des broyats lavés.