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WO2001094094A1 - Materiau composite thermoplastique, et procede et installation de fabrication de ce materiau - Google Patents

Materiau composite thermoplastique, et procede et installation de fabrication de ce materiau Download PDF

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WO2001094094A1
WO2001094094A1 PCT/FR2001/001720 FR0101720W WO0194094A1 WO 2001094094 A1 WO2001094094 A1 WO 2001094094A1 FR 0101720 W FR0101720 W FR 0101720W WO 0194094 A1 WO0194094 A1 WO 0194094A1
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WO
WIPO (PCT)
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particles
granules
extruder
cereal
thermoplastic
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2001/001720
Other languages
English (en)
Inventor
Christophe Dupic
David Weiller
Eric Prevost
Emmanuel Kelbert
Richard Piercy
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EPIPLAST SA
Original Assignee
EPIPLAST SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EPIPLAST SA filed Critical EPIPLAST SA
Priority to AU74189/01A priority Critical patent/AU7418901A/en
Publication of WO2001094094A1 publication Critical patent/WO2001094094A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L97/00—Compositions of lignin-containing materials
    • C08L97/02—Lignocellulosic material, e.g. wood, straw or bagasse
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/30—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices
    • B29B7/58—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29B7/60—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations for feeding, e.g. end guides for the incoming material
    • B29B7/603—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations for feeding, e.g. end guides for the incoming material in measured doses, e.g. proportioning of several materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/80—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29B7/88—Adding charges, i.e. additives
    • B29B7/90—Fillers or reinforcements, e.g. fibres
    • B29B7/92—Wood chips or wood fibres
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    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
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    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/16—Fillers

Definitions

  • Thermoplastic composite material and method and installation for manufacturing this material.
  • the present invention relates to a new thermoplastic composite material, as well as to the method and installation for manufacturing this material.
  • This integration is conventionally done by introducing the fibers into an extrusion machine of known type, commonly with one or two extrusion screws, where the fibers are hot mixed with the molten plastic material serving as a matrix, to obtain at the outlet of the extruder is an extruded rod of composite material, which can then be cut to form granules which can be used in machines for manufacturing various parts of such plastics.
  • an extrusion machine of known type commonly with one or two extrusion screws, where the fibers are hot mixed with the molten plastic material serving as a matrix, to obtain at the outlet of the extruder is an extruded rod of composite material, which can then be cut to form granules which can be used in machines for manufacturing various parts of such plastics.
  • mineral fibers such as, for example, well-known glass fibers
  • these fibers make it possible to reduce the density of the final product, the vegetable fibers being approximately half as dense as glass fibers for example.
  • these fibers are so-called "long" fibers, that is to say generally of length greater than 10 mm.
  • These fibers are conventionally obtained by a defibering operation carried out on the vegetable raw material, consisting for example, most commonly, of flax, sisal, hemp, kenaf, jute, but can also be generally obtained from the stems of plants. annuals or grains or their husk.
  • the defibration operation aims to extract the vegetable fibers, that is to say the cellulosic part, from vegetable matter, by chemical type processes conventionally used in the paper industry, or by steam explosion, or by mechanical processes. such as carding.
  • the defibration operations of the vegetable raw material are therefore preparation operations which have a non-negligible cost, thereby entailing a significant cost of the fibers which can be used during their integration as reinforcement in the plastic material.
  • the fibers obtained are unitary and have a high expansion coefficient. This results in several drawbacks, in particular a large storage volume for temporary storage of the fibrous material between defibration and its integration into the plastic material, and transport problems due to the low densities of the fibrous material. In addition, this high expansion coefficient makes it difficult to handle the fibers to introduce them into the conventional production tools of the plastics industry, such as extrusion screws.
  • the fibers are conventionally introduced into the extruder towards its exit, this being considered necessary to prevent them from being deteriorated by a long passage time at the high temperatures encountered in the extruders, combined with intense stirring caused by the extrusion screws over their entire length.
  • This requirement leads to the need to facilitate the best possible mixing of the fibers with the molten plastic material, only in the exit zone of the extruder.
  • the mixing of the plastic-fiber mixture being consequently limited, it follows from this the need to have a perfect regularity and homogeneity of the fiber supply.
  • Document GB 2278365 illustrates such a known process, according to which straw is crushed or chopped to reduce the size of the fibers, then a first mixture is produced with granulated plastic, intended to form a sufficiently aerated premix to allow sufficient subsequent drying by dry air caused to pass through this premix. The premix is then immediately re-mixed in adequate proportion with granulated plastic material, then introduced into a conventional type screw extruder.
  • the object of the present invention is to propose a new manufacturing process, and a new material. composite resulting therefrom, which makes it possible to solve the problems mentioned above and to eliminate the drawbacks of the prior techniques.
  • thermoplastic such as polyolefin polymers (polypropylene, polyethylene, ...), or styrenics (polystyrene, ABS and derivatives) or vinyl
  • It also aims to propose a process for obtaining a composite which is easily industrializable, while minimizing the need for adaptation of preexisting production facilities or of the conventional type, in particular by using production tools of the type commonly used in conventional plastics, without the need for additions of devices specifically adapted for the use of raw materials of plant origin.
  • the subject of the invention is a thermoplastic composite material comprising a matrix of a synthetic polymer and a filler of particles of plant materials, characterized in that said filler constitutes from 1 to 50% by weight of the material and consists essentially of surface particles of cereal and / or oilseed origin, with average dimensions between 1 and 5 mm.
  • the filler constitutes from 1 to approximately 10% by weight of the material, an aesthetic effect is particularly obtained due to the visible presence of said plant particles in the plastic matrix.
  • the said load constitutes more than approximately 10%, it is essentially the mechanical aspects and the physical properties which are influenced.
  • surface particles should be understood here particles generally having a relatively large surface with respect to their largest linear dimension, unlike fibers which, as everyone knows, are essentially relatively long in relation to their cross section.
  • the surface particles considered according to the invention have, for example, a form of flakes having faces whose average dimension is of the order of a few millimeters, 1 to 5 mm, preferably 1 to 2 mm, or a few mm 2 of surface, for a thickness less than 1 mm, or even from one to a few tenths of a millimeter only, while fibers, in particular such as the long vegetable fibers used according to the prior art generally have a length of more than 10 mm , for a cross section of less than 1 mm 2 .
  • the material according to the invention has the advantage of using as a raw material, in addition to the thermoplastic material, particles of cereal material which can be easily obtained from straw or grains, or from oleaginous material, without the need for defibration, and therefore at a lower cost, comparatively of the order of 1000 French Francs per ton, and even less, for granules leaving a pellet press fed with chopped and ground straw, against 2500 French Francs per ton for vegetable fibers coming from pulping.
  • the particles of cereal origin used according to the invention come from the following cereal species: wheat, barley, oats, rye, triticale, sorghum, corn, the stem of which can be used to give the straw after harvesting the grain, but also the grain and its envelopes which in particular give milling sounds. It is also possible to use flax or hemp or by-products or co-products of the flax and hemp industry, apart from the fiber itself. It should be clearly understood that the expression used above of “particle of cereal and / or oil origin” encompasses in particular the various above materials, used alone but also any mixture of these in suitable proportions.
  • the average composition of a cereal straw is:
  • the composition is - cellulose 9 to 12%
  • composition is:
  • the material according to the invention comprises, by weight:
  • thermoplastic material chosen from polyolefin polymers (polypropylene, polyethylene, etc.), or styrene polymers (polystyrene, ABS and derivatives) or vinyl polymers (PVC, ..) or polyesteramides and derivatives;
  • coupling agent such as preferably polypropylene (PP) grafted with maleic anhydride in the case of a composite with PP matrix, or any other thermoplastic grafted with maleic anhydride of the same base as matrix (for example maleized styrene), or any other product capable of interacting with the OH sites of cellulose, or of other coupling agents such as fatty acids of plant origin (saturated or unsaturated natural fatty acids) having the advantage of improving potential future degradability,
  • PP polypropylene
  • thermoplastic grafted with maleic anhydride of the same base as matrix for example maleized styrene
  • any other product capable of interacting with the OH sites of cellulose or of other coupling agents such as fatty acids of plant origin (saturated or unsaturated natural fatty acids) having the advantage of improving potential future degradability
  • the coupling agent advantageously influences the mechanical properties and the humidity resistance of the composites according to the invention.
  • thermoplastic matrices particularly targeted by the invention have a chemical origin different from that of plant materials, which are based on cellulose. This chemical difference results in different physical behaviors.
  • Polyolefins, for example, are apolar and hydrophobic, while plant materials are polar and hydrophilic. It is in fact almost impossible to obtain optimal chemical compatibility between the cereal or oilseed materials and the various synthetic matrices targeted by the invention.
  • the coupling agent makes it possible to create a chemical bridge between the constituents of the composite, to guarantee an efficient charge transfer between the matrix and the plant particles, and to obtain a composite exhibiting optimal mechanical properties.
  • the coupling agents used generally consist of a reactive "head", belonging to the acid family, at the end of a long aliphatic chain, generally belonging to the chemical family of the matrix. The reactive end of the chains reacts chemically with the hydroxyl sites present on the surface of plant particles.
  • the composites produced according to the present invention are characterized by a moisture content of less than 1% measured by the Karl Fisher method (standard ISO-760).
  • the coupling agent acts as a factor for reducing sensitivity to humidity. Indeed, the chemical reaction of the end of the coupling agent with the hydroxyl sites present on the surface of the plant particles brings a significant improvement in the resistance to humidity of the composites according to the invention.
  • the OH sites intrinsically present on the surface of the particles are the main cause of their hydrophilicity, since water molecules can very easily bind to these hydroxyl groups.
  • the blocking of these reactive sites by the coupling agent makes it possible to limit the presence of water molecules at the periphery of the particles, and thus makes it possible to significantly reduce the uptake of moisture from the composites.
  • the coupling agent therefore prevents increased moisture uptake, swelling of the plant particles, as well as a premature drop in the mechanical properties of the composites according to the invention.
  • the material according to the invention is obtained from plant parts, in particular cereals, raw or very roughly ground, and all of the ground material can be used, from the largest to the finest particles. This has an important advantage compared to the use of fibers which need to be sorted and therefore lead to more waste of raw material.
  • the appearance of the products and objects obtained by injection or extrusion from the material according to the invention reveals the surface particles of plant material, which give an attractive and natural appearance to the said products.
  • the composite material is easily recyclable and / or incinerable, greatly minimizing the amount of ultimate non-recoverable waste.
  • the density of the material is about 20% lower.
  • the product according to the invention has the advantage of being less abrasive for the sleeves, screws and tools, in comparison with the mineral fillers and reinforcements.
  • the mechanical properties of the material according to the invention are less than those of glass fiber reinforced composites or certain other mineral fibers, they are clearly 1.5 to 2.5 times better than those of plastic. alone, thereby improving the rigidity in bending and in traction.
  • the flexural and tensile strengths are also improved by the presence of vegetable matter, at levels however less than those stated in the case of rigidity.
  • the increase in proportion of cereal or oilseed products has the effect of increasing the properties of the composite, compared to using the material of the thermoplastic matrix alone, and this at lower cost.
  • the material according to the invention is preferably in the form of thermoplastic granules of dimensions between 2 and 4 mm, obtained by cutting a rod conventionally obtained by implementation of an extruder, but could also be supplied in the form of said rod or thermoformable plates.
  • the subject of the invention is also a method of manufacturing a thermoplastic composite material comprising a matrix of a thermoplastic material and a filler of particles of plant materials, according to which plant particles are mixed with plastic material in a screw extruder. melted and the mixture obtained is continuously extracted at one outlet end in the form of a rod, characterized in that the plant material is introduced into the extruder in the form of granules formed of surface particles of compacted cereal and / or oil products , at a point distant from said outlet end so as to ensure, in the extruder and before its outlet, mixing of said granules sufficient to deagglomerate them and a substantially homogeneous mixture of said particles with the molten thermoplastic material.
  • the granules of cereal and / or oilseed products are obtained by granulation and compacting, in a pellet press, of particles of plant material of dimensions between 2 and 6 mm. This makes it possible to obtain granules of vegetable material at a lower cost, which can be used directly at the inlet of the extruder.
  • the particles of cereal or oilseed material are obtained either by chopping and then crushing straw, or from bran.
  • the surface particles of plant material are moreover easily obtained from the raw materials, stems or grains, by conventional methods of chopping, grinding, etc., and their agglomeration and compacting is also carried out by conventional methods and tools, such as pellet presses type known per se.
  • the granulation step according to the invention although carried out substantially at room temperature, by means of a pellet press of known technology, does not give rise to phenomena of significant friction within the particles, thus resulting in localized elevations of the temperature. This rise in temperature makes it possible to extract a significant amount of moisture intrinsically present within the plant charges, while remaining clearly below the degradation temperature of said particles.
  • the densified form of the particles after compacting has a much lower surface area directly in contact with the ambient air than that of the particles or fibers used in the processes according to the prior art, which makes it possible comparatively to greatly reduce the recovery rate. possible humidity.
  • the extraction of moisture during granulation and the limitation of moisture uptake mentioned above makes it possible to achieve, for the plant material, moisture levels lower than those required to allow easy mixing with the thermoplastic material, and avoids therefore the pre-baking step systematically necessary in previous processes.
  • the introduction of the granules far enough from the exit of the extruder also makes it possible to ensure their deagglomeration during mixing resulting from the movement of the screws of the extruder.
  • the amount of heat thus supplied facilitates the vaporization of the residual water contained in the granules, without the need to steam them beforehand.
  • the granules of vegetable products are introduced into the extruder simultaneously with granules of plastic material and any additives, in the first part of the extrusion screws, that is to say approximately in the first third of their length, and without prior baking.
  • the additives comprise at least one coupling agent serving to improve the adhesion of the particles of cereal and / or oil-bearing material with the plastic material.
  • the rod obtained is dried and cooled by an air knife.
  • the subject of the invention is also a manufacturing installation for implementing the method defined above, the installation being characterized in that it comprises:
  • a supply system comprising means for dosing granules of cereal and / or oilseed products, means for dosing granules of thermoplastic material, and optionally means for dosing additives,
  • a screw extruder having an end zone inlet to which the supply system is connected, an outlet end opposite the inlet end and comprising an extrusion die, an area open to ambient air, located downstream of the end d inlet, and a vacuum degassing zone located between the zone open to ambient air and the outlet end,
  • FIG. 1 is a schematic view of the extruder and its supply means
  • FIGS. 2 and 3 schematically illustrate two alternative embodiments of the means for cooling the extruded rod, and for granulation ,
  • FIG. 4 and 5 illustrate, respectively in section and in front view, a third variant of the cooling means of the extruded rod, and granulation.
  • the material according to the invention is obtained by mixing granules of surface particles of cereal material with the thermoplastic material.
  • This mixing is carried out in a single-screw or twin-screw extruder 10, of a type known per se, in which the granules of cereal products, the plastic granules and the additives are introduced towards an inlet end 11, and a rush composite material comes out of it by rod dies located at the outlet end 20.
  • the granules of cereal products can be obtained in two ways, from straw, or from cereal grains.
  • the stalks of cereals are, at the time of harvest, bundled and pressed, commonly on the field of harvest. They can then be stored under cover in this form.
  • the straw bales are then conveyed to a grinding and granulation unit, of a type known per se, in particular for the preparation of livestock feed.
  • the straw is first chopped, in a chopping bowl, to reduce the straw strands to a length of the order of 20 to 40 mm.
  • the strands are conveyed pneumatically, or mechanically by screws, bucket elevators, or the like, to a hammer mill which reduces the strands to particles of a few millimeters, for example from 2 to 6 mm or even less, from 1 to 3 mm for example.
  • the ground straw then obtained is conveyed to an annular pellet press, of well known type, to be transformed into compacted straw granules, granules with a diameter of the order of 3 to 8 mm.
  • This operation makes it possible to densify the product with a view to its storage, transport and use in the extruder 10.
  • the cereal grains are first subjected to a milling process which performs the separation of the elementary constituents of the grains, namely the starchy parts, or flour, and the ligno- cellulosic, or bran, which are the seed coat or husk of the grain.
  • the bran is then granulated by passing through an annular pellet press, to form granules of particles with dimensions of 3 to 10 mm.
  • the flour resulting from the milling process can be partially or entirely introduced into the pellet press with bran, or be used for other applications, or even be introduced directly into the extruder as an additional filler in the composite material, this which can further lower the cost by total use of the raw material.
  • the granules of cereal products obtained as indicated above can then be stored before use in the extruder.
  • a notable advantage of granulation is that it allows a substantial increase in the apparent density of the product, hence ease of transport and storage,
  • the extruder of FIG. 1 schematically represents an extruder of the conventional type in plastics processing, which can be an extruder with two counter-rotating or co-rotating screws, or an onov screw extruder.
  • the introduction of the granules can be done vertically or laterally, in the first third of the length of the screws, for example directly at an inlet end 11.
  • the granules of cereal material are fed and metered by a first metering device 21, for example consisting of a volumetric predoser 21a and a belt weight metering device 21b.
  • the thermoplastic material is introduced, also in the form of granules, by a second metering device 22, and the additives by one or more additional metering units 23.
  • the polymer In the first zones 11, 12 and 13, at the entrance to the extruder, the polymer is melted and the mixing of the various constituents introduced begins.
  • the screws can be provided at this point with notches to promote the deagglomeration of the cereal granules.
  • a special zone 14 open to the air, is provided to allow a partial evacuation of the moisture contained in the granules of cereal products in the form of vapor resulting from the heating of all the materials under the effect of the screw mixing.
  • zones 15, 16, 17, the constituents are intimately mixed following the significant kneading caused by the screws.
  • zone 17 a thorough degassing is carried out, under a vacuum of more than 0.5 bars, approximately 0.8 bars for example, to extract the remainder of water vapor.
  • a special element, of the inverted mixer type, is located in zone 16, between the degassing zone and the venting zone 14, to generate a seal of molten material whose role is to seal zone 16 and thus avoid any risk of communication between the opening 14a of the zone 14 vented to the open air and the degassing zone.
  • the mixing continues in the zones 18, 19 at the end of the screw, before the extruded rod 3 is pushed through the die 20, giving the rod a diameter of 2 to 4 mm.
  • the extrusion temperature is around 170 ° C at 200 ° C maximum, so as not to thermally degrade cereal products. If necessary, to further avoid this risk of degradation, it will be possible to add wax at the entry of the screw, in order to reduce the friction which generates internal heating in the extruder.
  • the degassing allowing the evacuation of most of the moisture from the cereal particles is facilitated at substantially two-thirds of the length of the screws, thanks to the heating produced by the kneading of the material. There is thus practically no need for an additional supply of energy to remove the water inevitably contained in the granules, which thus makes it possible to avoid the necessary baking before extrusion in the processes using fibers.
  • the rod 3 typically comprises less than 1% of humidity.
  • Another particular advantage of the granulation of cereal materials is that it facilitates the metering and its precision during the introduction of the granules into the extruder, and consequently it makes it possible to ensure better homogenization with the matrix of polymeric material.
  • the granules of cereal products are disaggregated in the first part of the screw, thus allowing good homogenization of the mixture with the matrix of thermoplastic material during the kneading undergone subsequently.
  • this mixing can also have an effect of decreasing the average size of the particles, without however decomposing them completely, so that the particles still appear visibly in the composite material and in the molded or injected objects made from said material. .
  • the rod 3 is cooled and then cut to form granules 31 of composite material able to be reused in various parts manufacturing processes, by injection molding, or profiles, by extrusion.
  • the rod is cooled immediately at the outlet of the extruder by a short-term soaking, for example less than 2 seconds, in a water tank 32, then subjected to drying by a jet. laminar air against the current 33a supplied by a pressurized air generator 33, the air flow completing the cooling and expelling the water from the surface of the rod.
  • a short-term soaking for example less than 2 seconds
  • a jet laminar air against the current 33a supplied by a pressurized air generator 33, the air flow completing the cooling and expelling the water from the surface of the rod.
  • Such a method is suitable for an extrusion with a high production throughput, for example of 500 kg / hour, with a low or medium particle rate, typically less than or equal to 30% by weight.
  • the rod then passes through a granulator 34 which cuts the rod into granules 31, and which also serves to drive the rod by traction, this driving being made possible by the fact that the rod is sufficiently solidified by its passage through the tank. water.
  • the rod 3 at the outlet of the extruder is subjected only to cooling by a laminar air flow supplied by the pressurized air generator 33.
  • a belt conveyor 35 is used to support and convey the rod from the die 20 until it is sufficiently solidified and resistant to be taken up by the granulator, and cut into granules as in the previous case.
  • This second method although requiring more time for cooling, and therefore a longer installation length, has the advantage of avoiding any absorption of moisture by the extruded rod. It is more particularly indicated for a low flow extrusion, of the order of 50 kg / hour for example, and whatever the level of particles.
  • the rod 3 is cut and cooled by spraying water directly at the outlet of the extruder.
  • a box 36 for cutting and cooling is fitted to the die 20.
  • This box comprises a rotor 37 provided with knives which cut the rod into granules 31, which granules are immediately cooled inside the box by means of l pressurized water from a sprayer 38, then dried.
  • the latter method is suitable for high production rates, for example more than 500 kg / hour, and with a high level of cereal particles.
  • Cooling by nebulization of water that is to say by fine droplets projected onto the surface of the extruded rod, could constitute a favorable compromise between the requirements of high production throughput and low moisture uptake during cooling.
  • the table below shows some characteristics of the material according to the invention, compared with polypropylene alone and with composite materials loaded with minerals or vegetable fibers. Note the significant increase in the value of the tensile and flexural and threshold stress modules for the material according to the invention
  • the implementation of the composite according to the invention can be carried out in a conventional manner on traditional injection presses.
  • the vegetable origin of the reinforcing fillers of the material nevertheless requires respect certain rules to preserve the physical and mechanical integrity of the composite.
  • the temperature during the injection will be kept below 200 ° C, preferably between 160 and 200 ° C, approximately to avoid carbonization of the cereals.
  • Steaming before injection is required, for example 4 hours at 85 ° C or 2 hours at 110 ° C, to guarantee optimal physical and mechanical properties of the parts injected.
  • the thickness of the pieces must be sufficient, for example greater than 1 mm.
  • the nozzles, channels and injection thresholds will preferably have a circular cross section and a diameter of approximately 1 mm, to avoid obstruction by cereal particles.

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Abstract

Le matériau composite thermoplastique comporte une matrice en un polymère synthétique et une charge de particules de matières végétales qui constitue de 10 à 50 % en poids du matériau et est essentiellement constituée de particules surfaciques d'origine céréalière et/ou oléagineuse de dimensions moyennes comprises entre 1 et 3 mm. Le matériau est obtenu par mélange dans une extrudeuse à vis (10) de granulés de particules surfaciques de produits céréaliers et/ou oléagineux compactées, avec de la matière plastique fondue et on extrait en continu à une extrémité de sortie (20) le mélange obtenu sous forme d'un jonc (3). Les granulés sont introduits en un point éloigné de l'extrémité de sortie de manière à assurer dans l'extrudeuse un brassage des granulés suffisant pour les désagglomérer et un mélange homogène des particules avec la matière thermoplastique fondue.

Description

Matériau composite thermoplastique, et procédé et installation de fabrication de ce matériau.
La présente invention concerne un nouveau matériau composite thermoplastique, ainsi que le procédé et l'installation de fabrication de ce matériau.
Dans le domaine des matériaux composites alliant une matière plastique synthétique à des éléments additionnels destinés à améliorer certaines propriétés de la matière plastique, on connaît depuis longtemps l'idée d'intégrer des fibres végétales comme renfort, notamment dans une matrice thermoplastique telle que du polypropylène .
Cette intégration se fait classiquement par introduction des fibres dans une machine d'extrusion de type connu, couramment à une ou deux vis d'extrusion, où les fibres sont mélangées à chaud avec la matière plastique fondue servant de matrice, pour obtenir en sortie de l' extrudeuse un jonc extrudé de matière composite, lequel peut être ensuite coupé pour former des granulés utilisables dans les machines de fabrication de diverses pièces en de telles matières plastiques. D'un point de vue économique, l'utilisation de fibres végétales au lieu de fibres minérales telles que par exemple les fibres de verre bien connues, permet de réduire notablement les coûts, d'une part du fait du prix généralement inférieur des fibres naturelles et également du fait d'alléger les structures composites fabriquées, et d'autre part du fait de la réduction des coûts de recyclage .
En ce qui concerne les performances générales des composites renforcés par des fibres végétales, ces fibres permettent de réduire la densité du produit final, les fibres végétales étant environ deux fois moins denses que les fibres de verre par exemple.
Typiquement, dans les composites connus alliant une matrice thermoplastique et des fibres végétales, ces fibres sont des fibres dites "longues ", c'est à dire généralement de longueur supérieure à 10 mm. Ces fibres sont classiquement obtenues par une opération de défibrage effectuée sur la matière première végétale, constituée par exemple, le plus couramment, de lin, sisal, chanvre, kénaf, jute, mais peuvent aussi être obtenues de manière générale à partir des tiges de plantes annuelles ou des grains ou de leur enveloppe. L'opération de défibrage vise à extraire des matières végétales les fibres, c'est à dire la partie cellulosique, par des procédés de type chimiques classiquement utilisés dans l'industrie papetiere, ou par explosion à la vapeur, ou encore par des procédés mécaniques tels que le cardage.
Les opérations de défibrage de la matière première végétale sont donc des opérations de préparation qui présentent un coût non négligeable, entraînant par-là même un coût important des fibres utilisables lors de leur intégration comme renfort dans la matière plastique.
De plus, les fibres obtenues sont unitaires et présentent un coefficient de foisonnement important. Il en résulte plusieurs inconvénients, notamment un volume de stockage important pour un stockage temporaire de la matière fibreuse entre le défibrage et son intégration à la matière plastique, et des problèmes de transport dus aux densités faibles de la matière fibreuse. De plus encore, ce coefficient de foisonnement important rend délicat la manipulation des fibres pour les introduire dans les outils de production classique de la plasturgie, tels que les vis d'extrusion.
Un autre inconvénient résulte de la quasi nécessité d'etuver les fibres juste avant leur introduction dans 1 ' extrudeuse . En effet, la nature même des fibres et leur origine font qu'elles contiennent inévitablement à l'origine une forte proportion d'eau, inacceptable lors du mélange à chaud avec la matière plastique dans 1 ' extrudeuse . Classiquement les fibres sont étuvées lors de leur fabrication, ce qui réduit leur teneur en eau originelle. Mais il est quasi impossible d'empêcher une reprise d'eau par la suite, lors du stockage, du transport, ou même simplement des manipulations nécessaires pour alimenter les fibres dans 1 ' extrudeuse . Or, une humidité trop importante des fibres peut poser des problèmes d'alimentation de la machine, par des phénomènes d'adhérence des fibres entre elles, conduisant à des bourrages au niveau des moyens d'alimentation et de dosage en entrée d' extrudeuse, ou tout au moins à des dosages imprécis et irréguliers .
Par ailleurs, les fibres sont classiquement introduites dans l' extrudeuse vers sa sortie, ceci étant considéré nécessaire pour éviter qu'elles ne soient détériorées par un long temps de passage aux températures élevées rencontrées dans les extrudeuses, combiné à un intense brassage provoqué par les vis d'extrusion sur toute leur longueur. Cet impératif conduit à la nécessité de faciliter au mieux le mélange des fibres avec la matière plastique fondue, uniquement dans la zone de sortie de l' extrudeuse. Le brassage du mélange matière plastique-fibres étant en conséquence limité, il en découle la nécessité d'avoir une parfaite régularité et homogénéité de l'alimentation en fibre.
Tous ces impératifs font qu'il s'avère indispensable d'etuver les fibres en continu juste avant leur introduction dans l' extrudeuse, ce qui nécessite à proximité directe des extrudeuses des installations de pré-traitement des fibres encombrantes, et des coûts de pré-traitement importants. Le document GB 2278365 illustre un tel procédé connu, selon lequel de la paille est broyée ou hachée pour réduire la taille des fibres, puis un premier mélange est réalisé avec du plastic granulé, destiné à former un pré-mélange suffisamment aéré pour permettre un séchage ultérieur suffisant par de l'air asséché amené à passer à travers ce pré-mélange. Le pré-mélange est ensuite immédiatement re-mélangé en proportion adéquate avec de la matière plastique granulée, puis introduit dans une extrudeuse à vis de type classique. On voit bien la complexité de l'installation requise à proximité immédiate de l' extrudeuse pour réaliser le séchage de la matière végétale et éviter sa reprise d'humidité avant le mélange final assuré dans 1 ' extrudeuse . De plus, si la présence de granulés plastiques dans le pré-mélange est favorable pour augmenter la vitesse de déshumidification, elle peut aussi être une cause de reprise d'humidité entre la sortie du sécheur et le moment où les fibres végétales se retrouvent définitivement enrobées de plastique dans 1 ' extrudeuse .
Un autre inconvénient encore, rencontré pour la fabrication de composites plastiques avec des fibres végétales, est une mauvaise liaison des fibres avec la matrice, ce qui semble d'ailleurs pouvoir être lié à la nature même des fibres, aux problèmes d'introduction dans l' extrudeuse mentionnés préalablement, et surtout à la présence d'eau à la surface des fibres. Pour tenter de résoudre ce problème, il a été proposé, notamment dans le document précité GB 2278365, d'utiliser une matrice de polymère de base cellulosique, dont la compatibilité avec la matière végétale est meilleure. Mais cela oblige alors à se limiter à l'utilisation de polymères à base de cellulose qui, de plus, sont moins fréquemment utilisés, présentent un coût plus élevé et des propriétés mécaniques moindres .
La présente invention a pour but de proposer un nouveau procédé de fabrication, et un nouveau matériau composite en résultant, qui permette de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus et de supprimer les inconvénients des techniques antérieures .
Elle vise en particulier à fournir un nouveau matériau composite alliant une matière plastique, notamment un thermoplastique tel que des polymères polyoléfiniques (polypropylène, polyéthylène, .. ) , ou styrèniques (polystyrène, ABS et dérivés) ou vinyliques
(PVC, ..) ou polyesteramides et dérivés, et une matière d'origine végétale agissant comme charge ou comme renfort structurel, qui soit moins coûteux que les matériaux composites connus actuellement, tout en offrant un accroissement sensible de la rigidité mécanique du produit réalisé en un tel matériau par rapport à un produit constitué de la seule matière plastique.
Elle vise aussi à fournir un tel matériau composite plus léger que les composites à base de polypropylène et de fibres minérales ou autres charges minérales telles que du talc. Elle vise aussi à fournir un tel matériau composite, servant de produit intermédiaire pour la fabrication de divers objets, par injection ou extrusion, ces objets ayant un aspect visuel particulier, attrayant et naturel . Elle vise aussi à fournir un matériau composite qui, même après mise en forme sous la forme d'objets mentionnés ci-dessus, soit aisément recyclable et/ou incinérable .
Elle vise aussi à proposer un procédé d'obtention d'un composite qui soit aisément industrialisable, en minimisant les besoins d'adaptation d'installations de productions préexistantes ou de type classique, en particulier en utilisant des outils de production de type couramment utilisés dans la plasturgie classique, sans besoin d'adjonctions de dispositifs spécifiquement adaptés en vue de l'utilisation de matières premières d'origine végétale.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un matériau composite thermoplastique comportant une matrice en un polymère synthétique et une charge de particules de matières végétales, caractérisé en ce que la dite charge constitue de 1 à 50 % en poids du matériau et est essentiellement constituée de particules surfaciques d'origine céréalière et/ou oléagineuse, de dimensions moyennes comprises entre 1 et 5 mm. Lorsque la charge constitue de 1 à environ 10% en poids du matériau, on obtient particulièrement un effet esthétique dû à la présence visible des dites particules végétales dans la matrice de matière plastique. Lorsque la dite charge constitue plus d'environ 10%, ce sont essentiellement les aspects mécaniques et les propriétés physiques qui sont influencés .
Par particules surfaciques on doit comprendre ici des particules ayant généralement une surface relativement importante par rapport à leur plus grande dimension linéaire, contrairement aux fibres qui, comme chacun sait, ont essentiellement une longueur relativement importante par rapport à leur section. A titre comparatif, les particules surfaciques considérées selon l'invention ont par exemple une forme de paillettes présentant des faces dont la dimension moyenne est de l'ordre de quelques millimètres, 1 à 5 mm, préférentiellement de 1 à 2 mm, soit de quelques mm2 de surface, pour une épaisseur inférieure à 1 mm, voire de un à quelques dixièmes de millimètres seulement, alors que des fibres, notamment telles que les fibres longues végétales utilisées selon l'art antérieur ont généralement une longueur de plus de 10 mm, pour une section de moins d' 1 mm2. Ces dimensions ne sont toutefois données ici qu'à titre explicatif et comparatif, et ne doivent aucunement être considérées comme limitatives de la présente invention.
Le matériau selon l'invention présente l'avantage d'utiliser comme matière première, outre la matière thermoplastique, des particules de matière céréalière qui peuvent être aisément obtenues à partir de paille ou de grains, ou de matière oléagineuse, sans nécessité de défibrage, et donc à un coût moindre, comparativement de l'ordre de 1000 Francs français par tonne, et même moins, pour des granulés sortant de presse à granuler alimentée en paille hachée et broyée, contre 2500 Francs français par tonne pour des fibres végétales venant de défibrage.
Les particules d'origine céréaliêres utilisées selon l'invention sont issues des espèces céréaliêres suivantes : blé, orge, avoine, seigle, triticale, sorgho, maïs, dont on peut utiliser la tige qui donne la paille après récolte du grain, mais aussi le grain et ses enveloppes qui donnent notamment des sons de meunerie . On pourra aussi utiliser du lin ou du chanvre ou des sous- produits ou coproduits de 1 ' industrie du lin et du chanvre, hormis la fibre en elle-même. Il doit être bien compris que l'expression utilisée précédemment de "particule d'origine céréalière et/ou oléagineuse" englobe en particulier les diverses matières ci-dessus, utilisées seules mais également tout mélange de celles- ci en proportions adaptées.
A titre d'exemple, la composition moyenne d'une paille de céréales est :
- cellulose 35 à 50 %
- hemicellulose 30 à 30 % - lignine 15 à 20 %
- matière minérale 4 à 7 %
- protéines 4 à 5 %
- matières grasses 0,5 à 1 %
- humidité 10 à 15 %
Pour des gros sons, la composition est - cellulose 9 à 12 %
- hemicellulose 30 à 40 %
- lignine 4 à 6 %
- amidon 10 à 15 % - protéines 12 à 16 %
- cendres 4 à 8 %
- matières grasses 2 à 3,5 %
- humidité 10 à 15 %
Pour des sons fins, la composition est :
- cellulose 6 à 10 %
- hemicellulose 20 à 30 %
- amidon 15 à 25 %
- protéines 12 à 16 % - cendres 4 à 7 %
- matières grasses 2,5 à 4 %
- humidité 10 à 15 %
Typiquement, le matériau selon l'invention comprend, en poids :
40 à 80 % de matière thermoplastique, choisie parmi des polymères polyoléfiniques (polypropylène, polyéthylène, .. ) , ou styrèniques (polystyrène, ABS et dérivés) ou vinyliques (PVC, ..) ou polyesteramides et dérivés ;
- 10 à 50 % de particules de matière végétale,
- de 5 à 25 % du poids de matière végétale en agent de couplage, tel que préferentiellement le polypropylène (PP) greffé anhydride maleique dans le cas d'un composite à matrice PP, ou tout autre thermoplastique greffé anhydride maleique de même base que la matrice (par exemple du styrène maléisé) , ou tout autre produit susceptible d' interagir avec les sites OH de la cellulose, ou d'autres agents de couplage tels que les acides gras d'origine végétale (acides gras naturels saturés ou insaturés) présentant l'avantage d'améliorer une potentielle dégradabilité ultérieure,
- des additifs choisis selon les besoins parmi : colorants, anti-ultraviolets, agents moussants, retardateurs de flamme, lubrifiant, etc. L ' agent de couplage influence avantageusement les propriétés mécaniques et la tenue à l'humidité des composites selon l'invention.
D'une part, les matrices thermoplastiques particulièrement visées par 1 ' invention ont une origine chimique différente de celle des matières végétales, qui sont à base cellulosique. Cette différence chimique se traduit par des comportements physiques différents. Les polyoléfines par exemple sont apolaires et hydrophobes alors que les matières végétales sont polaires et hydrophiles. Il est en fait quasi-impossible d'obtenir une compatibilité chimique optimale entre les matières céréaliêres ou oléagineuses et les différentes matrices synthétiques visées par l'invention.
Un aspect important de la présente invention est d'avoir réussi à assurer cette compatibilité grâce à l'agent de couplage, ce qui permet d'utiliser des matrices polymères courantes, et surtout susceptibles d'être travaillées à basse température, ce qui est une condition nécessaire pour ne pas dégrader les particules de matière végétale. L'agent de couplage permet de créer un pont chimique entre les constituants du composite, pour garantir un transfert de charge efficace entre la matrice et les particules végétales, et obtenir un composite arborant des propriétés mécaniques optimales. Les agents de couplage utilisés se composent généralement d'une "tête" réactive, appartenant à la famille des acides, à l'extrémité d'une longue chaîne aliphatique, généralement appartenant à la famille chimique de la matrice. L'extrémité réactive des chaînes réagit chimiquement avec les sites hydroxyles présents en surface des particules végétales. Il y a donc un ancrage chimique fort entre l'agent de couplage et les dites particules. Le long "corps" constitué par la dite chaîne va quant à lui s ' enchevêtrer dans le réseau macromoléculaire de la matrice thermoplastique. Tous les agents de couplage susceptibles d'assurer de telles fonctions par le processus chimique décrit ci dessus peuvent être utilisés. Par exemple des agents de couplage à base isocyanate ou organo-slianes .
Par ailleurs, les composites fabriqués selon la présente invention sont caractérisés par un taux d'humidité inférieur à 1 % mesuré par la méthode de Karl Fisher (norme ISO-760) .
L'agent de couplage agit comme facteur de diminution de la sensibilité face à l'humidité. En effet, la réaction chimique de l'extrémité de l'agent de couplage avec les sites hydroxyles présents à la surface des particules végétales apporte une amélioration significative de la résistance à l'humidité des composites selon l'invention. Les sites OH intrinsèquement présents à la surface des particules sont la principale cause de leur hydrophilie, les molécules d'eau pouvant très facilement se lier à ces groupes hydroxyles. C'est ainsi que le blocage de ces sites réactifs par l'agent de couplage permet de limiter la présence de molécules d'eau en périphérie des particules, et permet ainsi de réduire nettement la reprise d'humidité des composites. L'agent de couplage évite donc une prise d'humidité accrue, un gonflement des particules végétales, ainsi qu'une chute prématurée des propriétés mécaniques des composites selon l'invention.
Le matériau selon l'invention est obtenu à partir de parties de végétaux, notamment de céréales, brutes ou très grossièrement broyées, et l'ensemble du broyât peut être utilisé, des plus grosses aux plus fines particules. Ceci présente un avantage important par rapport à l'utilisation de fibres qui nécessitent d'être triées et conduisent donc à plus de déchets de matière première.
De plus, l'aspect des produits et objets obtenus par injection ou extrusion à partir du matériau selon l'invention laisse apparaître les particules surfaciques de matière végétale, qui donnent un aspect attrayant et naturel aux dits produits .
Egalement, le matériau composite est aisément recyclable et/ou incinérable en minimisant fortement la quantité de déchets ultimes non valorisables .
Par rapport à des charges de fibres minérales, telles que des fibres de verre, ou de talc, la densité du matériau est environ 20% inférieure. De plus, des essais ont permis de montrer que le produit selon l'invention présente l'avantage d'être moins abrasif pour les fourreaux, vis et outillage, en comparaison des charges et renforts minéraux.
Par ailleurs, si les propriétés mécaniques du matériau selon l'invention sont moindres que celles de composites renforcés fibre de verre ou certaines autres fibres minérales, elles sont nettement supérieures, de 1,5 à 2,5 fois, à celles de la matière plastique seule, permettant ainsi d'améliorer la rigidité en flexion et en traction. Les résistances en flexion et en traction sont elles aussi améliorées par la présence de matières végétales, à des niveaux cependant moindres que ceux énoncés dans le cas de la rigidité. Dans tous les cas, l'augmentation en proportion de produits céréaliers ou oléagineux a pour effet d'accroître les propriétés du composite, par rapport à une utilisation de la matière de la matrice thermoplastique seule, et cela à moindre coût.
Le matériau selon l'invention se présente préferentiellement sous la forme de granulés thermoplastiques de dimensions comprises entre 2 et 4 mm, obtenus par découpe d'un jonc classiquement obtenu par la mise en œuvre d'une extrudeuse, mais pourrait également être fourni sous la forme du dit jonc ou de plaques thermoformables .
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un matériau composite thermoplastique comportant une matrice en une matière thermoplastique et une charge de particules de matières végétales, selon lequel on mélange dans une extrudeuse à vis des particules végétales avec de la matière plastique fondue et on extrait en continu à une extrémité de sortie le mélange obtenu sous forme d'un jonc, caractérisé en ce que la matière végétale est introduite dans l' extrudeuse sous forme de granulés formés de particules surfaciques de produits céréaliers et/ou oléagineux compactées, en un point éloigné de la dite extrémité de sortie de manière à assurer dans l' extrudeuse et avant sa sortie un brassage des dits granulés suffisant pour les désagglomérer et un mélange sensiblement homogène des dites particules avec la matière thermoplastique fondue.
Préferentiellement, les granulés de produits céréaliers et/ou oléagineux sont obtenus par granulation et compactage, dans une presse à granuler, de particules de matière végétale de dimensions comprises entre 2 et 6 mm. Ceci permet d'obtenir des granulés de matière végétale à moindre coût, directement utilisables en entrée d' extrudeuse .
Les particules de matière céréalière ou oléagineuse sont obtenues soit par hachage puis broyage de paille, soit à partir de sons.
Les particules surfaciques de matière végétale sont par ailleurs facilement obtenues à partir des matières premières, tiges ou grains, par des procédés classiques de hachage, broyage, etc., et leur agglomération et compactage est également réalisé par des procédés et outils classiques, tels que des presses à granuler de type connu en soi .
L'utilisation de granulés de matière céréalière ou oléagineuse compactée permet d'éviter tous les problèmes précités rencontrés avec l'utilisation de fibres. Elle permet notamment de simplifier le stockage et le transport des matériaux à introduire dans l' extrudeuse, en réduisant le volume de la matière végétale par rapport au volume occupé par des fibres longues végétales classiques. La reprise d'eau des granulés compactés, lors de leur stockage et manutention, est relativement faible par rapport aux fibres, ce qui permet de supprimer la nécessité d'un étuvage des matières végétales juste avant leur introduction dans 1 ' extrudeuse .
En effet, l'étape de granulation selon l'invention, bien que réalisée sensiblement à température ambiante, au moyen d'une presse à granuler de technologie connue ne soi, donne lieu à des phénomènes de friction importante au sein des particules, résultant ainsi en des élévations localisées de la température. Cette élévation de température permet d'extraire une quantité significative d'humidité présente intrinsèquement au sein des charges végétales, tout en restant nettement inférieure à la température de dégradation des dites particules.
De plus, la forme densifiée des particules après compactage présente surface directement en contact avec l'air ambiant beaucoup plus faible que celle des particules ou fibres utilisées dans les procédés selon l'art antérieur, ce qui permet comparativement de réduire fortement le taux de reprise d'humidité possible. L'extraction d'humidité lors de la granulation et la limitation de reprise d'humidité évoquées ci dessus permet d'atteindre pour la matière végétale des taux d'humidité inférieurs à ceux requis pour permettre un mélange aisé avec la matière thermoplastique, et évite donc l'étape d' étuvage préalable systématiquement nécessaire dans les procédés antérieurs . L'introduction des granulés suffisamment loin de la sortie de l' extrudeuse permet par ailleurs d'assurer leur dësagglomération lors du brassage résultant du mouvement des vis de l' extrudeuse. De plus, la quantité de chaleur ainsi fournie facilite la vaporisation de l'eau résiduelle contenue dans les granulés, sans nécessité de les étuver auparavant.
Préferentiellement , les granulés de produits végétaux sont introduits dans l' extrudeuse simultanément avec des granulés de matière plastique et d'éventuels additifs, dans la première partie des vis d'extrusion, c'est à dire approximativement dans le premier tiers de leur longueur, et sans étuvage préalable. Selon des dispositions complémentaires : les additifs comportent au moins un agent de couplage servant à améliorer l'adhésion des particules de matière céréalière et/ou oléagineuse avec la matière plastique. - au cours du mélange réalisé dans l' extrudeuse, on procède à un dégazage par aspiration, dans le mélange contenu dans l' extrudeuse, de l'humidité vaporisée, initialement présente dans la matière végétale.
- après la sortie de l' extrudeuse, le jonc obtenu est séché et refroidi par une lame d'air.
L'invention a encore pour objet une installation de fabrication pour la mise en œuvre du procédé précédemment défini, l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un système d'alimentation comportant des moyens de dosage de granulés de produits céréaliers et/ou oléagineux, des moyens de dosage de granulés de matière thermoplastique, et optionnellement des moyens de dosage d'additifs,
- une extrudeuse à vis ayant une zone d'extrémité d'entrée sur laquelle le système d'alimentation est raccordé, une extrémité de sortie opposée à l'extrémité d'entrée et comportant une filière d'extrusion, une zone ouverte à l'air ambiant, située en aval de l'extrémité d'entrée, et une zone de dégazage sous dépression située entre la zone ouverte à l'air ambiant et l'extrémité de sortie,
- des moyens de refroidissement, de séchage, et de coupe, situés en aval de la sortie de l' extrudeuse pour respectivement solidifier le jonc extrudé, le sécher et le découper en granulés de matériau composite conforme à 1' invention.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un mode de réalisation du procédé d'obtention du matériau selon 1' invention.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique de 1' extrudeuse et de ses moyens d'alimentation, les figures 2 et 3 illustrent schématiquement deux variantes de réalisation des moyens de refroidissement du jonc extrudé, et de granulation,
- les figures 4 et 5 illustrent, respectivement en coupe et en vue de face, une troisième variante des moyens de refroidissement du jonc extrudé, et de granulation.
Dans l'exemple ici décrit, le matériau selon l'invention est obtenu par mélange de granulés de particules surfaciques de matière céréaliêres avec la matière thermoplastique. Ce mélange est réalisé dans une extrudeuse 10 mono-vis ou bi-vis, de type connu en soi, dans laquelle les granulés de produits céréaliers, les granulés de matière plastique et les additifs sont introduits vers une extrémité d'entrée 11, et un jonc de matériau composite en ressort par des filières à joncs situées à l'extrémité de sortie 20.
Les granulés de produits céréaliers peuvent être obtenus de deux manières, à partir de paille, ou à partir de grains de céréales .
Dans le mode d'obtention à partir de paille, les tiges de céréales sont, au moment de la moisson, bottelées et pressées, couramment sur le champ de récolte. Elles peuvent être ensuite stockées sous abri sous cette forme. Les bottes de paille sont ensuite acheminées vers une unité de broyage et granulation, de type connu en soi, notamment pour la préparation d'aliment de bétail. La paille est d'abord hachée, dans un bol hacheur, pour réduire les brins de paille à une longueur de l'ordre de 20 à 40 mm. Puis les brins sont convoyés pneumatiquement, ou mécaniquement par des vis, élévateurs à godets, ou similaires, vers un broyeur à marteaux qui réduit les brins à des particules de quelques millimètres, par exemple de 2 à 6 mm ou même moins, de 1 à 3 mm par exemple.
Le broyât de paille alors obtenu est convoyée vers une presse à granuler annulaire, de type bien connu, pour être transformée sous forme de granulés de paille compactée, granulés de diamètre de l'ordre de 3 à 8 mm. Cette opération permet de densifier le produit en vue de son stockage, transport et utilisation dans l' extrudeuse 10.
Dans le mode d'obtention des granulés à partir de grains, les grains de céréales sont d'abord soumis à un procédé meunier qui réalise la séparation des constituants élémentaires des grains, à savoir les parties amylacées, ou farine, et les parties ligno- cellulosiques, ou sons, qui sont les enveloppes téguments ou écorces des grains . Les sons sont alors granulés par passage dans une presse à granuler annulaire, pour former des granulés de particules de dimensions de 3 à 10 mm. La farine résultant du procédé meunier peut être en partie ou en totalité introduite dans la presse à granuler avec les sons, ou servir pour d'autres applications, ou encore être introduite directement dans l' extrudeuse en tant que charge complémentaire dans le matériau composite, ce qui peut permettre d'abaisser encore le coût par une utilisation totale de la matière première.
Les granulés de produits céréaliers obtenus comme indiqués ci-dessus peuvent ensuite être stockés avant utilisation dans l' extrudeuse. Quelle que soit la matière première utilisée, paille ou grains, un intérêt notable de la granulation est qu'elle permet une augmentation substantielle de la densité apparente du produit, d'où facilité de transport et de stockage,
L' extrudeuse de la figure 1 représente schématiquement une extrudeuse de type classique en plasturgie, qui peut être une extrudeuse à deux vis contrarotatives ou co-rotatives, ou une extrudeuse ono- vis.
L'introduction des granulés peut se faire verticalement ou latéralement, dans le premier tiers de la longueur des vis, par exemple directement à une extrémité d'entrée 11. Les granulés de matière céréalière sont alimentés et dosés par un premier doseur 21, par exemple constitué d'un prédoseur volumétrique 21a et d'un doseur pondéral à bande 21b. La matière thermoplastique est introduite, également sous forme de granulés, par un deuxième doseur 22, et les additifs par un ou des doseurs supplémentaires 23.
On notera que, dans le cas de la fabrication d'un composite comportant un mélange de matières végétales de différentes natures, celles-ci seront préferentiellement dosées et introduites sensiblement simultanément dans 1 ' extrudeuse . Il serait aussi possible de réaliser un pré-mélange de granulés de matières d'origines différentes, ou de granulés et d'un complément de matières végétales non granulées, ou encore d'utiliser des granulés formés de différentes matières végétales compactées ensemble. Comme on l'aperçoit sur le dessin, l'inclinaison du filet des vis de l' extrudeuse varie sur leur longueur, de manière connue en soi, pour provoquer notamment un effet de brassage plus important des matériaux introduits.
Dans les premières zones 11, 12 et 13, à l'entrée de l' extrudeuse, le polymère est fondu et le mélange des divers constituants introduits commence. Les vis peuvent être à cet endroit pourvues de crans pour favoriser la désagglomération des granulés de céréales .
Une zone spéciale 14, ouverte à l'air libre, est prévue pour permettre une évacuation partielle de l'humidité contenue dans les granulés de produits céréaliers sous forme de vapeur résultant de l' échauffement de l'ensemble des matières sous l'effet du brassage des vis. Dans les zones suivantes 15, 16, 17, les constituants sont intimement mélangés suite au malaxage important provoqué par les vis.
Dans la zone 17, on procède à un dégazage poussé, sous une dépression de plus de 0,5 bars, environ 0,8 bars par exemple, pour extraire le reste de vapeur d'eau. Un élément spécial, de type malaxeur inversé, est situé dans la zone 16, entre la zone de dégazage et la zone 14 de mise à l'air libre, pour générer un joint de matière fondue dont le rôle est d' étanchéifier la zone 16 et éviter ainsi tout risque de communication entre l'ouverture 14a de la zone 14 mise à l'air libre et la zone de dégazage .
Le mélange se poursuit dans les zones 18, 19 de fin de vis, avant que le jonc extrudé 3 soit poussé à travers la filière 20, conférant au jonc un diamètre de 2 à 4 mm. La température d'extrusion est de l'ordre de 170°C à 200°C maximum, afin de ne pas dégrader thermiquement les produits céréaliers. Le cas échéant, pour éviter encore plus ce risque de dégradation, on pourra procéder à un ajout de cire en entrée de vis, pour réduire les frottements générateurs d' échauffement interne dans 1 ' extrudeuse .
On notera par ailleurs que le dégazage permettant l'évacuation de la majeure partie de l'humidité des particules de céréales est facilité au niveau sensiblement des deux tiers de la longueur des vis, grâce à l' échauffement produit par le malaxage de la matière. Il n'y a ainsi pratiquement pas besoin d'un apport d'énergie supplémentaire pour supprimer l'eau inévitablement contenue dans les granulés, ce qui permet ainsi d'éviter l' étuvage nécessaire avant extrusion dans les procédés utilisants des fibres. En sortie de filière, le jonc 3 comporte typiquement moins de 1 % d'humidité.
Un autre intérêt particulier de la granulation des matières céréaliêres est qu'elle facilite le dosage et sa précision lors de l'introduction des granulés dans l' extrudeuse, et en conséquence elle permet d'assurer une meilleure homogénéisation avec la matrice de matière polymère. On notera en effet que, lors du brassage provoqué par les vis, les granulés de produits céréaliers sont désagrégés dans la première partie de la vis, permettant ainsi une bonne homogénéisation du mélange avec la matrice de matière thermoplastique lors du malaxage subi ultérieurement. De plus, ce malaxage peut aussi avoir un effet de diminution de la taille moyenne des particules, sans cependant les décomposer totalement, de manière que les particules apparaissent encore visiblement dans le matériau composite et dans les objets moulés ou injectés fabriqués à partir du dit matériau.
En sortie d' extrudeuse, le jonc 3 est refroidi puis découpé pour former des granulés 31 de matière composite apte à être réutilisée dans des procédés de fabrications de pièces diverses, par moulage-injection, ou de profilés, par extrusion.
Selon une première méthode, illustré figure 2, le jonc est refroidi immédiatement en sortie de l' extrudeuse par un trempage de courte durée, par exemple inférieure à 2 secondes, dans un bac d'eau 32, puis soumis à un séchage par un jet laminaire d'air à contre-courant 33a fourni par un générateur d'air sous pression 33, le flux d'air complétant le refroidissement et chassant l'eau de la surface du jonc. Une telle méthode est adaptée pour une extrusion à haut débit de production, par exemple de 500 kg/heure, avec un taux de particules faible ou moyen, typiquement inférieur ou égal à 30 % en poids.
Le jonc passe ensuite dans un granulateur 34 qui découpe le jonc en granulés 31, et qui sert également d'entraînement du jonc par traction, cet entraînement étant rendu possible par le fait que le jonc est suffisamment solidifié par son passage dans le bac d'eau.
Selon une deuxième méthode, représentée figure 3, le jonc 3 en sortie d' extrudeuse est soumis uniquement à un refroidissement par un flux d'air laminaire fourni par le générateur d'air sous pression 33. Un convoyeur à bande 35 est utilisé pour supporter et convoyer le jonc depuis la filière 20 jusqu'à ce qu'il soit suffisamment solidifié et résistant pour être pris en charge par le granulateur, et découpé en granulés comme dans le cas précédent. Cette seconde méthode bien que nécessitant plus de temps pour le refroidissement, et donc une longueur d'installation plus importante, présente cependant l'avantage d'éviter toute reprise d'humidité par le jonc extrudé. Elle est plus particulièrement indiquée pour une extrusion à faible débit, de l'ordre de 50 kg/heure par exemple, et quel que soit le taux de particules . Selon une troisième méthode, représentée figures 4 et 5, le jonc 3 est coupé et refroidi par pulvérisation d'eau directement en sortie de l' extrudeuse. A cet effet, un caisson 36 de coupe et de refroidissement est adapté sur la filière 20. Ce caisson comporte un rotor 37 muni de couteaux qui coupe le jonc en granulés 31, lesquels granulés sont immédiatement refroidis à l'intérieur du caisson par de l'eau sous pression issue d'un pulvérisateur 38, puis séchés . Cette dernière méthode est adaptée pour des hauts débits de production, par exemple plus de 500 kg/heure, et avec un taux de particules céréaliêres élevé.
Un refroidissement par nébulisation d'eau, c'est à dire par des fines gouttelettes projetées en surface du jonc extrudé, pourrait constituer un compromis favorable entre les exigences de débit de production élevé et de faible reprise d'humidité lors du refroidissement.
A titre d'exemple, le tableau ci-dessous montre quelques caractéristiques du matériau selon l'invention, comparativement à du polypropylène seul et à des matériaux composites chargés de minéraux ou de fibres végétales. On notera l'accroissement sensible de la valeur des modules de traction et de flexion et de contrainte au seuil pour le matériau selon l'invention
(colonnes 2 à 4) par rapport à du polypropylène seul
(colonne 1) , et la densité nettement plus faible par rapport aux composites à charge minérale (colonnes 5 et
6) . Le gain essentiel par rapport aux composites à bases de fibres végétales (colonnes 7 et 8) résulte du moindre coût de revient et de la facilité de mise en œuvre.
La mise en œuvre du composite selon 1 ' invention peut s ' effectuer de manière classique sur des presses à injecter traditionnelles. L'origine végétale des charges de renforcement du matériau nécessite néanmoins de respecter certaines règles pour préserver 1 ' intégrité physique et mécanique du composite. Ainsi, la température lors de l'injection sera maintenue en dessous de 200°C, preferentiellement entre 160 et 200°C, environ pour éviter une carbonisation des céréales. Un étuvage avant injection est requis, par exemple de 4 heures à 85°C ou 2 heures à 110°C, pour garantir des propriétés physiques et mécaniques optimales aux pièces injectées. Compte tenu de la dimension des particules de céréales, l'épaisseur des pièces devra être suffisante, par exemple supérieure à 1 mm.
Par ailleurs, afin de limiter la dégradation thermique des particules céréaliêres, il est également important de limiter le cisaillement de la matière lors de l'injection, ce cisaillement étant source d'élévations localisées de température. Ainsi, la géométrie du système d'alimentation du moule doit pouvoir limiter ces cisaillements au sein de la matière fondue. Les buses, les canaux et les seuils d'injection seront preferentiellement de section circulaire et de diamètre d'environ 1 mm, pour éviter une obturation par des particules céréaliêres.
Figure imgf000025_0001

Claims

REVENDICATIONS
1. Matériau composite thermoplastique comportant une matrice en un polymère synthétique et une charge de particules de matières végétales, caractérisé en ce que la dite charge constitue de 10 à 50 % en poids du matériau et est essentiellement constituée de particules surfaciques d'origine céréalière et/ou oléagineuse de dimensions moyennes comprises entre
1 et 5 mm.
2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un agent de couplage dans une proportion comprise entre 5 et 25 % du poids des particules végétales .
3. Matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'agent de couplage est une résine thermoplastique de même base que la matrice, greffée anhydride maleique.
4. Matériau selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme de granulés thermoplastiques de dimensions comprises entre 2 et 4 mm.
5. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente un taux d'humidité inférieur à 1 %.
6. Procédé de fabrication d'un matériau composite thermoplastique comportant une matrice en une matière thermoplastique et une charge de particules de matières végétales, selon lequel on mélange dans une extrudeuse à vis (10) des particules végétales avec de la matière plastique fondue et on extrait en continu à une extrémité de sortie le mélange obtenu sous forme d'un jonc (3), caractérisé en ce que la matière végétale est introduite dans l' extrudeuse sous forme de granulés formés de particules surfaciques de produits céréaliers et/ou oléagineux compactées, en un point éloigné de la dite extrémité de sortie (20) de manière à assurer dans l' extrudeuse et avant sa sortie un brassage des dits granulés suffisant pour les desagglomerer et un mélange sensiblement homogène des dites particules avec la matière thermoplastique fondue.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les granulés sont introduits dans l' extrudeuse sans étuvage préalable.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les granulés de produits céréaliers et/ou oléagineux sont obtenus par granulation et compactage, dans une presse à granuler, de particules de matière végétale de dimensions comprises entre 2 et 6 mm.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules de matière céréalière et/ou oléagineuse sont obtenues par hachage puis broyage de paille.
10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules de matière céréalière sont obtenues à partir de sons.
11. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les granulés de produits céréaliers et/ou oléagineux sont introduits dans l' extrudeuse simultanément avec des granulés de matière plastique et d'éventuels additifs.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les additifs comportent au moins un agent de couplage servant à améliorer l'adhésion des particules de matière céréalière et/ou oléagineuse avec la matière plastique.
13. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au cours du mélange réalisé dans l' extrudeuse, on procède à un dégazage par aspiration de l'humidité présente dans le mélange contenu dans l' extrudeuse .
14. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'après la sortie de l' extrudeuse, le jonc (3) obtenu est séché et refroidi par une lame d'air (33a) .
15. Installation de fabrication pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 6 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un système d'alimentation comportant des moyens de dosage (21) de granulés de produits céréaliers et/ou oléagineux, des moyens de dosage (22) de granulés de matière thermoplastique, et optionne11ement des moyens de dosage (23) d'additifs, une extrudeuse à vis (20) ayant une zone d'extrémité d'entrée (11) sur laquelle le système d'alimentation est raccordé, une extrémité de sortie (20) opposée à l'extrémité d'entrée et comportant une filière d'extrusion, une zone (14) ouverte à l'air ambiant, située en aval de l'extrémité d'entrée, et une zone (17) de dégazage sous dépression située entre la zone ouverte à l'air ambiant et l'extrémité de sortie, des moyens (32 à 38) de refroidissement, de séchage, et de coupe, situés en aval de la sortie de 1' extrudeuse pour respectivement solidifier le jonc extrudé, le sécher et le découper en granulés de matériau composite selon l'une des revendications 1 à 5.
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