CA2019949A1

CA2019949A1 - Composite refractory material containing vegetal fibers

Info

Publication number: CA2019949A1
Application number: CA002019949A
Authority: CA
Inventors: Claude Moret; Gerard Panhelleux
Original assignee: Individual
Current assignee: ARIS SA
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1990-12-28
Also published as: FR2649095A1; FR2649095B1

Abstract

Titre : "Matériau composite réfractaire comprenant des fibres végétales" au nom de : ARIS S.A. société anonyme. L'invention concerne un matériau composite réfractaire, en particulier du type comprenant des fibres végétales. Le but de l'invention est de réaliser des éléments de construction ou de protection thermique de faible densité, résistants au feu et insensibles l'humidité. L'invention concerne plus particulièrement un matériau composite réfractaire, comprenant une matrice à structure alvéolaire, constituée d'une mousse durcie d'un liant, caractérise en ce qu'il comprend des charges végétales et en ce que le liant est un liant minéral. L'invention est applicable à la fabrication en série, de panneaux, de tubes et de pièces de matériaux réfractaires.Title: "Refractory composite material comprising plant fibers" in the name of: ARIS S.A. public limited company. The invention relates to a refractory composite material, in particular of the type comprising vegetable fibers. The object of the invention is to produce building or thermal protection elements of low density, fire resistant and insensitive to humidity. The invention relates more particularly to a refractory composite material, comprising a matrix with a cellular structure, consisting of a hardened foam with a binder, characterized in that it comprises vegetable fillers and in that the binder is an inorganic binder. The invention is applicable to the mass production of panels, tubes and parts of refractory materials.

Description

"Materiau com~osite refractaire comprenant des fibres v~aétales"

L'inYention concerne un matériau composite réfractaire, en particulier du type comprenant des fibres végétales.
on utilise couramment dans les salons d'expositions, des panneaux permettant de délimiter les stands des divers exposants. Ces panneaux sont tres souvent réalisés en bois a~gloméré. Or, pour répondre aux normes de sécurit~, les organisateurs de ces salons souhaitent, de plus en plus souvent, utiliser des panneaux présentant de bonnes caracteristiques mécaniques, et surtout, résistant au feu.
On connait déj~, d'apxès l'art ant~rieur de la technique, des matériaux formés d'une mousse de résine de synthèse, chargée de poudre minérale. Mais, ces matériaux ont pour inconvenient de dégager des fumees toxiques ou corrosives, lorsqu'ils sont soumis à
une température supérieure ~ 200-C.
On connait en outre des matériaux composites réfractaires à base de fibres minérales (voir notamment la demande de brevet n~88 0610 du 4 mai 1988, appartenant à la deposante), mais ces matériaux, s'ils présentent de bonnes caractéristiques mécaniques et de tenue au feu, sont d'un prix trop élevé pour certaines utilisations, pour lesquelles les coûts sont un élément limitatif.
En consequence, les objets de l'invention sont de réaliser un matériau composite présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, une excellente tenue au feu, une insensibilité à l'humidité, une faible densité et qui surtout, soit d'un très faible prix de revient, c'est à dire un matériau qui pr~sente les mêmes caracteristiques mécaniques que les panneaux en bois aggloméré, avec un coût nettement moindre.

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"~ ~ , Ces objets de l'invention ainsi gue d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints notamment à
l'aide d'un mat~riau composite r~fractaire, comprenant une matrice ~ structure alvéolaire, constituée d'une mousse durcie d'un liant, caractérisé en ce qu'il comprend des charges v~gétales et en ce que le liant est un liant minéral.
La présente invention sera mieux comprise a la lecture de la description suivante, d'un mode de réalisation préférentiel, donne ~ titre d'exemple illustratif, mais non limitatif.
~e mat~riau selon l'invention, comprend donc une matrice à structuxe alvéolaire constituée d'une mousse durcie d'un liant minéral, des charges végétales, et éventuellement des charges minérales.
Le liant minéral hydrophile est du silicate de sodium. En effet, ce produit a la propriété de prendre une forme rigide, irréversible, apr~s déshydratation, ce qui le rend insensible à l'humidité.
En outre, son prix de revient est relativement faible, et son approvisionnement aise, car il est couramment utilisé comme colle en cartonnerie, principalement pour la fabrication de cartons ondulés. Ledit liant, sous forme d'une émulsion aqueuse de silicate de sodium, comprend 60 % d'eau, 30 % de silice sio2 et 10 % de NaO2. Ce liant a la propriété d'enrober très efficacement les fibres végétales et de les rendre ainsi pratiquement insensibles au feu, suivant l'épaisseur de l'enrobage. En effet, naturellement, les fibres végétales sont combustibles, en revanche, lorsqu'elles sont enrobées et bien imprégnées de silicate de sodium, elles présentent une certaine incombustibilité, qui permet une protection thermique jusqu'à 1000C en sur~ace et une auto-extinguibilite à
coeur du produit. De plus, l'imprégnation par le silicate de sodium, empêche que les fibres ne soient sensibles a la reprise d'humidité et ~ l'hygrométrie de . .- - :
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l'air, surtout lorsque la surface extérieure des pi~ces reste brute de moulage et ne pr~sente exclusivement que du silicate de sodium.
Par ailleurs, en fin de cycle de fabrication, les pieces peuvent subir une opération de flammage en surface, a~ une température legerement supérieure au point de vitrification du silicate de sodium, afin d'obtenir un aspect décoratif blanchâtre et d'am~liorer, par pyrolyse, les caract~ristigues de tenue au feu. Dans ce cas, le produit est classé M0 en surface.
Les charges v~gétales peuvent être constituées par tous sous-produits de la production de céréales, tels que des pail;es ou des balles de blé, de seigle, d'avoine~, de mals ou de riz, par exemple, ainsi que les végétaux fibreux genéralement utilisés pour d'autres usages, tels que chanvre, lin, jute, agave, abaca, coco, sisal, papyrus, bambou et autres bois.
La balle d'une céréale est l'enveloppe du grain des céréales, constituée par les qlumes et les glumelles et que l'on détache au cours du battage et du vannage.
Parmi toutes ces balles de céréales, on a découvert que la balle de riz était la balle végétale la plus chargée en silice, ce gui était favorable à la réalisation d'un produit devant présenter une bonne tenue au feu. De plus, cette balle de riz a l'avantage de se présenter sous forme de fibres courtes, ce qui évite de la traiter pour obtenir des longueurs de brin constantes, et surtout, a l'avantage d'être d'un approvisionnement facile, puisqu'elle est considérée comme un sous-produit céréalier et utilisée comme moyen de chauffage ou litiere. Enfin, compte tenu du faible nombre d'utilisations possibles, elle est vendue à un prix dérisoire, surtout en Chine, en Inde et en Extrême orient ou la production de paddy est très importante.

,X""J , ~'"'' "` ' 1,.' ~' On pourrait bien évidemment utiliser d'autres fibres v~gétales, telles que des herbes, comme la prêle, riches en silice. On utiliserait alors le produit sous forme de fibres de prêle, coupées et séch~es.
Des charges minérales peuvent être ajoutées pour augmenter, d'une part, les caractéristiques mecaniques du produit, ou d'autre part, ses propriétés de coulabilit~. Les charges de structure, de préférence en silicate de calcium, se présentent sous forme de - brins ayant une longueur inférieure a 7 mm (5 mm en moyenne) et un diamètre d'environ 12 microns, par - exemple. On utilise ce produit sous forme d'une poudre fibreuse tres a~ree, comprenant principalement 45 % de SiO2 et 35 % de CaO. Pour diminuer la densité du produit, on peut utiliser, par exemple, une charge minérale de granules expansés de roche volcanique "CECAPERL", (fabriqu~es et commercialisees par les Ets.
CECA).
On peut utiliser ou non, un agent moussant d'un type courant industriel, par exemple, celui connu sous l'appellation commerciale de "Sactilav".
On peut ajouter ou non, à la mousse d'eau et d'agent moussant, un agent gonflant. -~
Le matériau obtenu présente une densité
comprise entre 0,3 et 0,8. -~
Enfin, on notera gu'il est possible d'ajouter au produit précédemment décrit, un agent assouplissant, ~
tel qu'une émulsion de vinyle ou de latex pour rendre - -le produit moins cassant. ~ ~ -Selon ce mode de realisation, le matériau comprend environ 50 a 75 % en poids d'une émulsion de ~ - ;
liant minéral et environ 15 a 25 % en poids de charges végétales~
Selon une variante de réalisation, les -charges végétales peuvent, avant leur incorporation au - ~ -liant, être traitées pour les rendre moins hydrophiles. -`

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Par exemple, la balle de riz est préalablement trempee dans une émulsion aqueuse de vinyle ou de latex, comprenant un agent anti-agglomérant, puis s~ch~e en dispersion par un courant d'air chaud.
Ce traitement permet d'obtenir un matériau pouvant comprendre environ 25 ~ 30 % en poids de liant minéral et environ 40 ~ 60 % en poids de charges végétales. Ces dernières proportions permettent d'am~liorer les qualités de résilience et d'amortissement du matériau ainsi que de réduire le prix de revient.
On donne ensuite un exemple du premier mode de réalisation cité, dont l'ordre de mise en oeuvre peut être variable.
Exemple 1 , -- 74 % d'émulsion aqueuse de silicate de sodium (liant), - 15 % de balle de riz (charge végétale), - 4,5 % de poudre fibreuse de silicate de calcium (charge minérale de structure), - 1 % de granulés expansés de roche volcanique "CECAPERL" (charge minérale d'allègement), - 1 % d'agent moussant, - 0,5 % d'agent gonflant, - 4 % d'eau.
De manière générale, le matériau composite réfractaire selon l'invention, est applicable ~ la fabrication d'éléments de protection contre le feu répondant aux normes AFNOR anti-feu M1 et anti-fumée Fl. Ce matériau peut donc être utilisé pour la réalisation de plaques, de tubes et de pieces moul~es puis découpées, de panneaux muraux, de plafonds suspendus, de garnitures coupe-feu, de pièces de forme devant résister à une elévation de température, etc Enfin, le produit peut être r~alise en continu, par injection dans une machine spécifique, avec déshydration par rayonnements et notamment les micro-ondes (cas des panneaux et des tubes), ou en coffrage, pour une utilisation dans le b~timent, l'aide d'une pompe spéciale a béton, légèrement modifiée de façon ~ être adapt~e a cet usage. Dans ce cas, la deshydratation peut être obtenue par l'utilisation de plaques ou de couvertures chauffantes, ~ disposer en surface apparente du produit pr~alablement liss~, ou simplement par s~chage naturel, par capillarit~, lorsque celui-ci est coul~ en coffrage perméable.
Le produit peut avantageusement remplacer les panneaux de bois agglomérés classiques, tout en présentant une densité inf~rieure de plus de la moitie, une insensibilit~ à l'humidité et au feu, pouvant permettre la comparaison technique avec un agglomér~ de bois et de r~sine ph~nolique, mais d'un prix de revient nettement inférieur.

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j '',,, ;:, ' '"' ' ~, ' ~:', ' ,, ." "Material com ~ refractory site including v ~ etal fibers "

The InYention relates to a composite material refractory, in particular of the type comprising vegetable fibers.
we commonly use in salons of exhibitions, panels allowing to delimit the stands of various exhibitors. These panels are very often made of glomerated wood. Now, to answer to safety standards, the organizers of these fairs want to use more and more panels with good characteristics mechanical, and above all, fire resistant.
We already know ~, according to art prior ~ laughing technique, materials made of foam synthetic resin, loaded with mineral powder. But, these materials have the disadvantage of giving off toxic or corrosive fumes, when subjected to a higher temperature ~ 200-C.
We also know of composite materials refractories based on mineral fibers (see in particular patent application no. 88 0610 of May 4, 1988, belonging to the applicant), but these materials, if have good mechanical characteristics and fire resistance are too high for some uses, for which costs are an element limiting.
Consequently, the objects of the invention are to make a composite material having good mechanical properties, excellent fire resistance, insensitivity to moisture, low density and which above all is very low cost price, ie a material which presents the same mechanical characteristics as the panels made of agglomerated wood, with a much lower cost.

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"~ ~, These objects of the invention as well as others which will appear subsequently are affected in particular at using a composite refractory material, comprising a matrix ~ honeycomb structure, consisting of hardened foam with a binder, characterized in that it includes loads v ~ gétales and in that the binder is a mineral binder.
The present invention will be better understood a reading the following description, a mode of preferential realization, give ~ as an example illustrative, but not limiting.
~ e mat ~ riau according to the invention, therefore includes a honeycomb structured matrix consisting of hardened foam with a mineral binder, fillers vegetable, and possibly mineral fillers.
The hydrophilic mineral binder is silicate sodium. Indeed, this product has the property of take a rigid, irreversible form, after ~ s dehydration, which makes it insensitive to moisture.
In addition, its cost price is relatively low, and its easy supply, as it is commonly used as cardboard glue, mainly for the manufacture of corrugated cardboard. Said binder, under form of an aqueous emulsion of sodium silicate, includes 60% water, 30% sio2 silica and 10%
NaO2. This binder has the property of coating very effectively plant fibers and make them thus practically insensitive to fire, according to the thickness of the coating. Indeed, naturally, vegetable fibers are combustible, however when coated and well impregnated with sodium silicate, they have a certain incombustibility, which allows thermal protection up to 1000C on ~ ace and self-extinguishing at heart of the product. In addition, the impregnation by the sodium silicate, prevents fibers from being sensitive to moisture uptake and the humidity of . .- -:
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air, especially when the outside surface of the pieces remains unmolded and only presents only sodium silicate.
Furthermore, at the end of the manufacturing cycle, the parts can undergo a flame operation in surface, at a temperature slightly higher than vitrification point of sodium silicate, so obtain a whitish decorative appearance and to improve, by pyrolysis, the characteristics of fire resistance. In this case, the product is classified M0 in area.
Plant charges can be made up of all by-products from the production of cereals, such as straw or husks of wheat, rye, oats ~, mals or rice, for example, as well that the fibrous plants generally used for other uses, such as hemp, flax, jute, agave, abaca, coconut, sisal, papyrus, bamboo and other woods.
The husk of a cereal is the envelope of the grain of cereals, consisting of qlumes and which are detached during threshing and winnowing.
Among all these cereal bales, we have discovered that the rice husk was the vegetable husk the most loaded with silica, this mistletoe was favorable to realization of a product which must present a good fire resistance. In addition, this rice husk has the advantage to be in the form of short fibers, which avoid treating it to obtain strand lengths constant, and above all, has the advantage of being easy supply, since it is considered as a grain by-product and used as a medium heating or litter. Finally, given the low number of possible uses, it is sold to a ridiculous price, especially in China, India and the Far orient where paddy production is very important.

, X "" J, ~ '"''"`' 1 ,. ' ~ ' We could obviously use other vegetable fibers, such as herbs, such as horsetail, rich in silica. We would then use the produced in the form of horsetail fibers, cut and dried.
Mineral fillers can be added to increase, on the one hand, the characteristics mechanics of the product, or on the other hand, its properties of coulabilit ~. Structural charges, preferably in calcium silicate, are in the form of - strands having a length less than 7 mm (5 mm in medium) and a diameter of about 12 microns, per - example. We use this product in powder form very fibrous, mainly comprising 45% of SiO2 and 35% CaO. To decrease the density of the product, we can use, for example, a filler mineral from expanded granules of volcanic rock "CECAPERL", (manufactured and marketed by Ets.
CECA).
It may or may not be used, a foaming agent of a common industrial type, for example, that known under the trade name "Sactilav".
We can add or not, to the water foam and foaming agent, a blowing agent. - ~
The material obtained has a density between 0.3 and 0.8. - ~
Finally, note that it is possible to add to the product described above, a softening agent, ~
such as vinyl or latex emulsion to make - -the less brittle product. ~ ~ -According to this embodiment, the material comprises approximately 50 to 75% by weight of an emulsion of ~ -;
mineral binder and about 15 to 25% by weight of fillers vegetable ~
According to an alternative embodiment, the -vegetable fillers can, before their incorporation in - ~ -binder, be treated to make them less hydrophilic. -`

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For example, the rice husk is previously soaked in an aqueous vinyl or latex emulsion, comprising an anti-caking agent, then s ~ ch ~ e in dispersed by a stream of hot air.
This treatment makes it possible to obtain a material can include about 25 ~ 30% by weight of binder mineral and about 40 ~ 60% by weight of fillers vegetable. These latter proportions allow to improve the qualities of resilience and material damping as well as reduce the cost price.
We then give an example of the first mode of implementation cited, including the order of implementation may be variable.
Example 1, -- 74% aqueous silicate emulsion of sodium (binder), - 15% rice husk (vegetable load), - 4.5% of fibrous silicate powder of calcium (mineral structure charge), - 1% of expanded rock granules "CECAPERL" volcanic (lightening mineral charge), - 1% foaming agent, - 0.5% blowing agent, - 4% water.
Generally speaking, the composite material refractory according to the invention, is applicable ~ the manufacture of fire protection elements meeting AFNOR M1 fire and smoke protection standards Fl. This material can therefore be used for the production of plates, tubes and molded parts then cut, wall panels, ceilings hanging, fire-resistant fittings, shaped parts having to withstand a rise in temperature, etc.
Finally, the product can be made in continuous, by injection into a specific machine, with dehydration by radiation and in particular microwave (in the case of panels and tubes), or formwork, for use in the building, using a special concrete pump, slightly modified so as to be adapted to this use. In this dehydration can be achieved by the use of hot plates or blankets, ~ have the product visible on the surface previously smoothed, or simply by natural drying, by capillarit ~, when it is poured ~ in formwork permeable.
The product can advantageously replace the classic chipboard panels, while having a density lower than more than half, insensitivity to moisture and fire, which can allow technical comparison with an agglomerate ~ of wood and phenolic resin, but at a cost price significantly lower.

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Claims

THE ACHIEVEMENTS OF THE INVETION, ABOUT WHICH AN EXCLUSIVE RIGHT
OF OWNERSHIP WHERE PRIVILEGE IS CLAIMED, ARE DEFINED AS SU]

1 - Refractory composite material, comprising a matrix with alveolar structure, consisting of a foam hardened with a binder, characterized in that it comprises vegetable charges consisting rice husk and that the binder is a mineral binder.

2 - Refractory composite material according to the claim 1, characterized in that the binder is sodium silicate.

3 - Refractory composite material according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a filler mineral structure.

4 - Refractory composite material according to the claim 3, characterized in that the charge mineral structure consists of fibrous powder calcium silicate.

- Refractory composite material according to one of claims 1 to 3, characterized in that it includes a mineral lightening charge.

6 - Refractory composite material according to the claim 5, characterized in that the charge lightening mineral consists of granules expanded from volcanic rock.

7 - Refractory composite material according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a foaming agent.

8 - Refractory composite material according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a swelling agent.

9 - Refractory composite material according to any one of the preceding claims, characterized in that it includes a softening agent chosen from the group consisting of an emulsion of vinyl, or latex.

- Refractory composite material according to any one of the preceding claims, characterized in that it has a density included between 0.3 and 0.8.

11 - Refractory composite material according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises approximately 50 to 75% in weight of a mineral binder emulsion and about 15 to 25% by weight of vegetable fillers.

12 - Refractory composite material according to the claim 11, characterized in that it comprises weight percentage 74% of aqueous emulsion of sodium silicate, 15% rice husk, 4.5%
fibrous calcium silicate powder, 1% granules expanded from volcanic rock, 1% foaming agent, 0.5% blowing agent and 4% water.

13 - Refractory composite material according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one surface vitrified exterior, for example a surface exterior vitrified by flame.

14 - Refractory composite material according to the claim 1, characterized in that the rice husk is, prior to its incorporation into the binder, dipped in an aqueous vinyl or latex emulsion comprising an anti-caking agent, then dried in dispersed by a stream of hot air.

15 - Refractory composite material according to the claim 14, characterized in that it comprises weight percentage about 25 to 30% of mineral binder and approximately 40 to 60% of vegetable loads.