EP2593508A1 - Novel cellulose composite materials - Google Patents

Novel cellulose composite materials

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EP2593508A1
EP2593508A1 EP11740589.4A EP11740589A EP2593508A1 EP 2593508 A1 EP2593508 A1 EP 2593508A1 EP 11740589 A EP11740589 A EP 11740589A EP 2593508 A1 EP2593508 A1 EP 2593508A1
Authority
EP
European Patent Office
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cellulose
fibers
composite material
acetate
cellulose fibers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11740589.4A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel Samain
Camélia STINGA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • D06M2101/02Natural fibres, other than mineral fibres
    • D06M2101/04Vegetal fibres
    • D06M2101/06Vegetal fibres cellulosic

Definitions

  • the present invention relates to novel cellulose / cellulose composites and methods for their manufacture.
  • Thermoplastic composites are conventionally made with a mixture of reinforcing fibers (glass, Kevlar, etc.) and a thermoplastic matrix.
  • the field of thermoplastics offers numerous examples of substitution of mineral fibers by cellulose fibers (Michaud, F. 2003).
  • the mechanical properties requirements are indeed lower than in the case of thermosets and water sensitivity problems related to the hydrophilic nature of the cellulose fibers can be overcome by a strategy of encapsulation of the fibers by the polymer matrix. This operation is made possible by the current low cost of polymer matrices, but this situation could change with the long-term evolution of oil prices.
  • the results obtained, however, are poor mainly because of the poor accounting between the hydrophilic surface of the fibers and the hydrophobic polymer matrix.
  • thermoplastic applications there is one which stands out in particular and which is cellulose acetate (Zugenmaier, P. 2004).
  • the latter compound has a long history as a thermoplastic and is still an important industrial product in the field of membranes (Cerqueira, DA, et al., 2008) and cigarette filters in particular. It is, in fact, a family of products since are also marketed specialties of propionate, butyrate and cellulose acetate butyrate.
  • Cellulose acetates are not considered to be truly biodegradable, which in many cases is actually an advantage but they are clearly recyclable by the conventional alkaline regeneration of cellulose acetate to cellulose.
  • This regeneration is particularly advantageous in the case of cellulosic materials because the recycling of printed papers takes place precisely in alkaline conditions.
  • These compounds are therefore extremely attractive for use as a thermoplastic matrix provided that the problem of compatibility of the cellulose acetate / cellulose fiber matrix interface is solved. Indeed, although they are both made of cellulose, these two materials do not have the same chemical and physicochemical properties and they even a priori very poor compatibility.
  • the conventional use as a cellulose acetate filler of vegetable cellulosic materials is for example described in the patent FR 519 822. However, cellulose fibers and cellulose acetate have a very poor compatibility.
  • GB 570,529 discloses a molding powder containing a synthetic resin and cellulose acetate fibers.
  • Cellulose acetate fibers were obtained by partial acetylation of the cellulose under fibrous conditions to maintain the fiber structure.
  • This document essentially concerns the substitution of cellulosic reinforcing fibers with acetylated cellulose reinforcement fibers. This document does not specify the nature of the synthetic resin used.
  • DE 295 22 229 describes a material based on cellulose acetate and natural cellulose fibers.
  • the cellulose fibers are used without special pretreatment and the relative incompatibility of the cellulose fibers and the cellulose acetate matrix is therefore not resolved.
  • US patent application 2003/0124937 discloses a material comprising native cellulose fibers and cellulose ester fibers. This material does not include a thermoplastic matrix in which reinforcing fibers are dispersed.
  • acetylated whiskers can only have very short cellulose acetate oligomer chains on their surface.
  • polycaprolactone oligomer of sufficient molecular weight on the surface of the microf ⁇ briUes Our hypothesis is that the cellulose acetate ohgomer chains present on the surface of the whiskers would not be long enough to interact effectively with the cellulose acetate matrix.
  • the invention lies at this level. Instead of attempting to solve the problem of dimensional instability by eliminating the amorphous parts of the fibers by acidic hydrolysis or other means, the invention is to make them lose their sensitivity to water by taking advantage of their obvious more high chemical reactivity and transforming them via appropriate chemical modification into high molecular weight cellulose acetate oligomers capable of effectively interacting with a polymeric matrix of cellulose acetate.
  • This operation would be pointless if the oligomers thus synthesized were, as a result of the chemical modification in question, detached from the structure of the fiber. It is essential, in fact, that the formed cellulose acetate oligomer chains remain firmly bonded by covalent bonding to the main structure of the fiber. It is therefore essential to choose mild acylation conditions preserving the glycosidic bonds of cellulose or in other words not leading to hydrolysis of these cellulose molecules.
  • acylation or acetylation of cellulose are known from the prior art.
  • the acylation of the cellulose is generally carried out in the presence of a catalyst such as a strong acid.
  • This acylation leads not only to the acylation of the cellulose but also to a cut in the fibers of the celluloses.
  • the product obtained - typically cellulose acetate - thus has a reduced DP following the hydrolysis of the cellulose molecules. It then becomes soluble in organic solvents such as chloroform or acetone while the cellulose is not soluble in these solvents.
  • This acylation can also take place under fibrous conditions. In all cases, however, the acylation is accompanied by hydrolysis of the cellulose molecules.
  • No. 2,535,919 discloses that the cellulose fibers comprise amorphous cellulose as well as crystalline cellulose and this document describes the partial acetylation of these cellulose fibers.
  • the acetylation conditions used include impregnation of the fibers with glacial acetic acid followed by reaction with acetic anhydride in the presence of a strong acid. This acetylation is conducted in fibrous conditions in the absence of solvent, but it is nonetheless a "hard” acetylation condition leading to cleavage of the cellulose chains. This is illustrated by the fact that the formed cellulose acetate is soluble in the methylene chloride used in this document to make the fibers sticky.
  • the acylation process used in the present invention is based on activation and selective acylation of the amorphous zones of the cellulose fibers under conditions that preserve the glycosidic bonds of the cellulose molecules. These conditions were already described in the literature (Fraizy, J. 1966, Nagai, K. and Saito, M. 1960).
  • the invention therefore consists in achieving two important objectives by carrying out a single key operation, the peracetylation of all the amorphous zones of the cellulose fibers.
  • This modification makes it possible to eliminate the dimensional sensitivity of the cellulose fibers by transforming the hydrophilic amorphous zones into hydrophobic apolar zones (40% reduction in the water uptake of the acetylated fibers).
  • Cellulose acetate oligomers are thus generated which represent between 30 and 50% of the starting cellulosic material. These oligomers obtained without any cleavage of glycosidic bonds are therefore necessarily of high molecular weight and will thus be able to establish a very good interaction with cellulose acetate matrices.
  • the quality of the accounting obtained by the acetylation of the amorphous zones with respect to thermoplastic matrices of cellulose acetate was determined by dispersion tests of partially acetylated fibers in cellulose acetate matrices.
  • the improvement of the mechanical properties was determined by the measurement of the Young's modulus which shows a significant increase of 21%.
  • the quality of the compatibilization obtained was also characterized by the regeneration of the acetylated cellulose fiber / cellulose acetate composites in a basic medium. It is known that it is possible to regenerate cellulose II by alkaline treatment of cellulose acetate. This is notably the process for obtaining Fortisan fibers (Kim, I.S., et al., 2002, Koh, J., et al., 2004).
  • Heat-stable composites are conventionally obtained by in situ polymerization processes and lead to crosslinked assemblies in all three dimensions.
  • a major disadvantage of these composites is their almost total absence of recycling properties (apart from thermal recovery or to make charges).
  • thermostable composites recyclable. These are prepared from cellulose matrix reinforced with cellulose fibers. They are prepared for example by using the solvent power towards the cellulose of certain solutions like DMAc / LiCl. As the solubilization is a progressive phenomenon, it suffices to block it by dilution after a defined period thus leading to a cellulose / cellulose composite in which the fibers not yet solubilized constitute the reinforcing part, the matrix being constituted by the regenerated cellulose . What characterizes this type of cellulose / cellulose composites is the fact that the crosslinking is no longer carried out through irreversible covalent chemical bonds but via reversible hydrogen bonds.
  • thermostable composites by this method comes from the fact that the precursor composites are thermoplastic composites which can therefore be prepared industrially with conventional tools.
  • the improvement of the mechanical properties was measured by the significant increase of the Young's modulus of 25%.
  • thermostable composites not completely saponified with different properties such as less dimensional instability or greater plasticity related to the presence of residual acetates.
  • thermoplastic polymeric matrix chosen from cellulose acetates, cellulose proprionates, cellulose butyrates, cellulose acetobutyrates and mixtures thereof, e) Optionally, shaping the composite material obtained in the previous step by hot molding, hot injection and / or hot pressing.
  • the activation of the amorphous areas of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out with an aqueous alkaline solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide.
  • activation of the amorphous areas of the cellulose fibers by alkaline treatment is carried out with potassium acetate or sodium acetate.
  • the acylation of the amorphous areas of the cellulose fibers comprises contacting the cellulose fibers with an acylating agent under neutral conditions.
  • the acylating agent is selected from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride, butyric acid chloride, activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
  • step d) comprises the addition of 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix relative to the weight of the cellulose fibers.
  • step d) comprises immersing the cellulose fibers in the form of braided yarns in the matrix followed by drying the fibers.
  • step d) comprises dispersing the cellulose fibers in the thermolastic matrix.
  • the cellulose fibers are chosen from fibers of rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, originating from the seed, broom, stem broth , gucca, jute, kapok, kennaf, flax, shackle, nettle, straw, ramie, raffia or sisal or mixtures thereof.
  • the cellulose fibers are rayon fibers and the thermoplastic polymeric matrix is cellulose triacetate.
  • the method further comprises a step of partial or total saponification of the cellulose-based composite material obtained in step d) or in step e).
  • the saponification comprises treating the material with sodium hydroxide solution followed by washing and drying the material.
  • the subject of the invention is also a thermoplastic composite material based on cellulose which can be obtained by the process according to the invention.
  • the invention also relates to a process for recycling a cellulose-based thermoplastic composite material in which the material is subjected to complete acetylation in the presence of a strong acid.
  • the invention also relates to a thermostable composite material based on cellulose obtainable by the method according to the invention comprising a saponification step.
  • the subject of the invention is a cellulose-based composite material comprising: cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones, at least 80% of these amorphous zones being acylated by low-weight fatty acids; molecular compounds selected from acetate, propionate, butyrate and mixtures thereof;
  • thermoplastic polymer matrix chosen from cellulose acetates, cellulose proprionates, cellulose butyrates and cellulose acetate butyrates, and mixtures thereof.
  • the cellulose-based composite material comprises from 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix.
  • the cellulose-based composite material comprises from 50% to 99% by weight of cellulose fibers.
  • the cellulose fibers are selected from rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, seed, broom, cottons with rods of rush, gucca, jute, kapok, kennaf, flax, manila, nettle, straw, ramie, raffia, sisal or their mixtures.
  • the cellulose-based composite material comprises partially acetylated rayon fibers having a degree of acetylation of between 20% and 40% by weight.
  • thermoplastic polymeric matrix is cellulose triacetate.
  • the composite material is at least partially saponified.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing a composite material based on cellulose comprising the following steps:
  • the partial acylation of the cellulose fibers comprises:
  • the activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out by impregnating the cellulose fibers with an aqueous alkaline solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide.
  • the activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out by impregnating the cellulose fibers with potassium acetate or sodium acetate.
  • the acylating agent is chosen from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride and acid chloride.
  • butyric acid activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
  • the cellulose fibers are selected from rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, seed, broom, cottons with rods of rush, gucca, jute, kapok, kennaf, flax, manila, nettle, straw, ramie, raffia or sisal or their mixtures.
  • the cellulose fibers are preferably rayon fibers and the thermoplastic polymeric matrix is preferably cellulose triacetate.
  • step b) comprises the addition of 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix relative to the weight of the cellulose fibers.
  • step b) comprises immersing the cellulose fibers in the form of braided yarns in the matrix followed by drying the fibers.
  • step b) comprises dispersing the cellulose fibers in the matrix.
  • the methods according to the invention further comprise a step of partial or total saponification of the cellulose-based composite material obtained in step b) or in step c).
  • this saponification comprises treating the material with sodium hydroxide solution followed by washing and drying the material.
  • the invention also relates to cellulose-based thermoplastic composite materials that can be obtained by the methods according to the invention.
  • the invention also relates to thermostable composite materials based on cellulose that can be obtained by the processes according to the invention.
  • the invention thus relates to processes for the manufacture of various cellulose-based composites and in particular cellulose / cellulose acetate composite materials and cellulose / cellulose composite materials.
  • acylation and especially cellulose acetylation processes use a strong acid as a catalyst such as sulfuric acid, perchloric acid or phosphoric acid, under these conditions, acetylation and hydrolysis of the molecules. cellulose then leads to a cellulose acetate dissolved in various organic solvents such as chloroform and acetone, for example.
  • milder reaction conditions permit selective acylation of the amorphous areas of the cellulose not accompanied by hydrolysis of the glycosidic linkages of the cellulose molecules.
  • the integrity of the cellulose molecules and in particular glycosidic bonds of the cellulose molecules is maintained.
  • This selective acetylation of the amorphous areas of the cellulose is not carried out in the presence of a catalyst such as a strong acid and therefore a prior step of activating the amorphous areas of the cellulose fibers is generally required.
  • the acylation reaction is therefore conducted under neutral conditions and in particular under ionically neutral conditions.
  • the acylation conditions are therefore neither acidic nor basic.
  • This partial acylation of the cellulose fibers preserving the integrity of the cellulose molecules is based on the use of cellulose fibers having a large amorphous phase, the latter being more reactive than the crystalline phase. Acylation under mild reaction conditions is therefore limited to acylation of the amorphous regions of the fiber leading to partial acylation of the cellulose without hydrolysis of the glycosidic linkages.
  • the almost total absence of hydrolysis of the cellulose is illustrated by the fact that the acetylated cellulose fibers obtained according to the invention do not comprise Extractable fraction with solvents such as chloroform or acetone corresponding to cellulose acetate of lower DP and thus soluble in these solvents.
  • thermoplastic polymeric matrices consisting of cellulose acyls.
  • the composite materials thus obtained may be totally or partially saponified to lead to thermostable materials.
  • the invention thus relates to new composite materials consisting of two elements having exceptional complementarity:
  • a fibrous reinforcement structure constituted by cellulose fibers whose amorphous part has been selectively acylated by low molecular weight fatty acids under mild conditions which do not lead to the hydrolysis of the cellulose acyl chains thus produced.
  • This selective acylation makes it possible to reduce the dimensional instability of the cellulose fibers and to generate a high density of pendant cellulose acyl chains.
  • thermoplastic polymeric matrix consisting of perfectly soluble cellulose acyl matrices with the cellulose acyl chains present on the cellulose fibers.
  • acylation is performed under neutral conditions to preserve the integrity of the glycosidic linkages of the cellulose molecules.
  • the invention also describes a variant of these new composite materials where all or part of the acyl groups has been removed by alkaline treatment to produce a thermostable material.
  • the invention thus relates to composite materials based on cellulose comprising:
  • cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones, at least 80% of these amorphous zones being acylated by low molecular weight fatty acids chosen from acetate, propionate and butyrate, and mixtures thereof; ;
  • thermoplastic polymer matrix chosen from cellulose acetates, cellulose proprionates, cellulose butyrates and cellulose acetate butyrates, and mixtures thereof.
  • the cellulose fibers are partially acylated under mild conditions (neutral conditions) leading to selective acylation of the amorphous areas of the cellulose and not accompanied by hydrolysis of the glycosidic linkages of the cellulose. cellulose.
  • the amorphous areas of cellulose fibers are selectively acetylated.
  • the cellulose fibers comprise at least 10, 20, 30 or 40% amorphous areas.
  • the cellulose fibers therefore have a degree of crystallinity of less than 90, 80, 70 or 60%.
  • the amorphous areas of the cellulose being acylated to at least 80%>, 85% or 90%. In other embodiments, the amorphous areas of the cellulose are fully acylated.
  • the cellulose fibers selected from rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, from seed, broom, cottons rods of rush, gucca, jute, kapok, kennaf, flax, manila, nettle, straw, ramie, raffia, sisal or their mixtures.
  • the cellulose fibers are rayon and linen fibers.
  • the cellulose fibers have an acylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
  • the cellulose fibers have an acetylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
  • the cellulose fibers used in the materials of the present invention are rayon fibers having a level of acylation, and preferably acetylation, of between 20% and 40% by weight.
  • the second component of the materials is a thermoplastic polymeric matrix selected from cellulose acetate, cellulose propionates, cellulose butyrates, cellulose acetate butyrates and mixtures thereof.
  • thermoplastic matrix is meant a matrix that melts or softens under the effect of heat. Typically, the melting temperature of a thermolplastic material is lower than its decomposition temperature.
  • the thermoplastic matrices are chosen from the following matrices: cellulose triacetate, cellulose diacetate, cellulose tripropionate, cellulose acetate butyrate (commercial product CAB: 13.5% by weight of acetate and 38% mass of butyrate, molar ratio approximately 1 acetate for 2 butyrates), cellulose tributyrate.
  • CAB 13.5% by weight of acetate and 38% mass of butyrate, molar ratio approximately 1 acetate for 2 butyrates
  • cellulose tributyrate Among the cellulose acetobutyrates, mention will be made in particular of CAB comprising 13.5% by weight of acetate and 38% by weight of butyrate (molar ratio of about 1 acetate for 2 butyrates). This product is commercially available.
  • These thermoplastic matrices are well known to those skilled in the art.
  • thermoplastic matrices typically have a sufficiently low DP to be soluble in organic solvents such as acetone or chloroform.
  • a "compatible" matrix is meant a matrix that is soluble with the acyl chains of the partially acylated cellulose fibers.
  • the compatible matrices are for example chosen from triacetates and cellulose diacetate.
  • the compatible matrices are for example chosen from cellulose propionates.
  • the compatible matrices are for example chosen from cellulose acetate butyrate and cellulose tributyrate.
  • the cellulose-based composite material comprises rayon fibers having a degree of acetylation of between 20% and 40% by weight, preferably between 25% and 35% by weight and a cellulose triacetate matrix.
  • the composite material comprises flax fibers with an acylation level with a mixture of acetate and butyrate (1 acetate for 2 butyrates) of between 30 and 50% by weight and as matrix an acetobutyrate and in particular CAB comprising 13.5% by weight of acetate and 38% by weight of butyrate.
  • the compatibility between the matrix and the fiber makes it possible to reduce the amount of matrix in the composite materials of the present invention.
  • the composite materials comprise 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40% to 50% by weight of thermoplastic matrix.
  • the composite materials according to the invention comprise less than 50%, 40%, 30%, 20%, 10% or less than 5% by weight of thermoplastic matrix.
  • the composite materials according to the invention thus comprise 50%, 60%, 70%,
  • the materials according to the invention comprise more than 50%, 60%, 70%, 80%, 90% or more than 95% of partially acylated cellulose fibers.
  • the invention also relates to composite materials as described above partially or totally saponified. This saponification makes the composite material thermostable.
  • the invention also relates to processes for producing a cellulose-based composite material comprising the following steps:
  • thermoplastic polymeric matrix chosen from cellulose acetate, cellulose propionates, cellulose butyrates, cellulose acetobutyrates and mixtures thereof,
  • the acylation is carried out under neutral conditions to preserve the integrity of the glycoside bonds of the cellulose molecules. Only the amorphous zones of the previously activated cellulose are acylated at this stage without hydrolyzing the cellulose.
  • the first step of the processes according to the invention is a partial acylation step of the cellulose fibers and preferably a partial acetylation step of the cellulose fibers.
  • the invention relates to processes for manufacturing a cellulose-based composite material comprising the following steps:
  • thermoplastic polymeric matrix chosen from cellulose acetate, cellulose propionates, cellulose butyrates, cellulose acetobutyrates and mixtures thereof,
  • the cellulose fibers used in the processes of the present invention have an amorphous phase, preferably this zone or amorphous phase represents at least 10%, 20%, 30% or 40% of the cellulose fibers.
  • the cellulose fibers obtained have an acylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
  • the cellulose fibers obtained have an acetylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
  • the partial acylation of the cellulose fibers is carried out under mild conditions - typically neutral conditions - according to techniques known to those skilled in the art. Partial acylation of the cellulose fibers under these conditions leads selectively to the acylation of the amorphous zones of the cellulose fibers without hydrolysis of the cellulose.
  • partial acetylation under mild reaction conditions preserves the integrity of the cellulose molecules.
  • the partial acylation of the cellulose fibers comprises a first step of activating the cellulose fibers by an alkaline treatment.
  • This alkaline treatment may include impregnating the cellulose fibers with an aqueous alkaline solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide.
  • this alkaline treatment may comprise impregnation of the cellulose fibers with potassium acetate or sodium acetate.
  • This activation is typically performed by dipping or impregnating the fibers with a potassium acetate solution having a concentration of 20% (g / g) at 60 ° C-80 ° C.
  • the fibers are usually dewatered and dried according to usual techniques.
  • the acylation is carried out by contacting the activated fibers with an acylating agent preferably chosen from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride, butyric acid chloride, activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
  • an acylating agent preferably chosen from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride, butyric acid chloride, activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
  • This bringing into contact is carried out under neutral conditions and more particularly at ionically neutral conditions. Catalysts such as strong acids are not used at this stage.
  • This step comprises, for example, immersing the previously activated fibers in acetic anhydride heated at 100 ° C. for a variable time ranging from a few minutes to a few hours.
  • the acetylation rate then varies according to the reaction time.
  • the partially acetylated fibers are generally washed and dried.
  • the cellulose fibers are rayon fibers and their degree of acetylation is between 25 and 35% by weight.
  • thermoplastic matrix is added to the fibers.
  • thermoplastic matrices based on cellulose are described above.
  • This step preferably comprises immersing the cellulose fibers in the form of braided yarns in the matrix followed by drying the fibers.
  • acetylated fibers in the form of braided yarns are immersed in a triacetate solution (for example a 5% solution in chloroform). After incubation, the fibers are removed, excess solution is removed and the threads are dried. The son obtained are much more rigid because of the cohesion between the fibers provided by the cellulose acetate.
  • a triacetate solution for example a 5% solution in chloroform.
  • this step comprises dispersing the cellulose fibers in the matrix.
  • partially acetylated fibers are dispersed in a solution of cellulose triacetate (2% cellulose triacetate solution in chloroform, for example). After evaporation, cellulose acetate films containing reinforcing fibers are obtained.
  • the cellulose fibers are partially acetylated rayon fibers and the thermoplastic polymeric matrix is cellulose triacetate.
  • the processes according to the invention comprise the addition of 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix relative to the weight of the cellulose fibers and preferably the addition of less than 50%, 40%,> 30% >, 20%>, 10%> or less than 5% by weight of thermoplastic matrix.
  • the composite materials obtained are distinguished by improved mechanical properties (measured by the Young's Modulus) and a decrease in water intake (water sensitivity).
  • the invention also relates to a process for recycling a cellulose-based thermoplastic composite material in which the material is subjected to complete acetylation in the presence of a strong acid.
  • Cellulose acetate-cellulose composite materials have low potential for biodegradation but can be fully recycled. Unlike other composite materials requiring a separation of their components as a prerequisite for recycling, thermoplastic cellulose-matrix composite materials according to the present invention are directly and fully recyclable including complete acylation of the composite material. Two recycling paths are conceivable: regeneration (alkaline treatment) when all the acyl groups are removed and the cellulose acetate of the composite material is converted into cellulose or nonfibrous acetylation when the cellulose of the composite material is completely transformed into triacetate of cellulose and fibers lose their fibrous appearance.
  • regeneration alkaline treatment
  • a cellulose-cellulose acetate composite according to the invention can be directly converted into cellulose acetate in conventional industrial cellulose acetylation chains, which implement so-called non-fibrous or homogeneous acylation conditions.
  • These use a strong acid as a catalyst such as sulfuric acid or perchloric acid and comprise two steps: the pretreatment during which the composite material, acetic acid and catalyst are intimately mixed before adding the reagent.
  • acetylation acetic anhydride, for example
  • the actual treatment when the material reacts with the reagent added to the reaction medium.
  • the cellulose of the composite material is converted into cellulose acetate which is soluble in the reaction medium.
  • the acetate formed is then recovered by filtration, after its precipitation following the addition to the mixture of a aqueous solution of acetic acid.
  • Such methods of acylation of cellulose have existed for a long time and are well described in the literature (Malm et al., (1946), Sassi and Chanzy (1995)). More recently, Barud et al. (2008), following the protocol used by Sassi and Chanzy (1995), acetylated bacterial cellulose and obtained, for reaction times ranging from 0.5 h to 24h, 2,3 degrees of substitution. at 2.77.
  • the processes according to the invention may further comprise a step of partial or total saponification of the composite material described above.
  • This saponification is carried out according to usual techniques well known to those skilled in the art.
  • the saponification comprises treating the material with sodium hydroxide solution followed by washing and drying the material.
  • the materials obtained are placed in a 0.5 N sodium hydroxide solution for 24 hours at room temperature. The resulting materials are then washed and dried.
  • the subject of the invention is also the thermoplastic composite materials obtainable by the processes according to the invention as well as the thermostable composite materials based on cellulose that can be obtained by the processes according to the invention.
  • FIGURES are also the thermoplastic composite materials obtainable by the processes according to the invention as well as the thermostable composite materials based on cellulose that can be obtained by the processes according to the invention.
  • Figure 1 Selective acetylation of the amorphous zones of cellulose fibers and formation of the composite with exogenous cellulose acetate
  • Figure 2 Alkaline treatment of composites Partially acetylated cellulose fibers / cellulose acetate to give a cellulose / cellulose composite
  • the cellulose fibers are immersed in a potassium acetate solution at 60-80 ° C, having a concentration of 20% (g / g), for 20 minutes.
  • the activated fibers are dewatered and dried at 80 ° C for 2h30. Then, they are immersed in acetic anhydride which is heated at 100 ° C for 20, 40, 80 or 160 minutes. After reaction, the fibers are washed with hot water and acetone, and then dried at 105 ° C for 24 hours.
  • the acetylation rate is determined by weighing before and after the acetylation according to the following formula:
  • m 2 represents the mass of the rayon fibers after the acetylation, in grams.
  • the acetate level is variable depending on the reaction time.
  • the maximum value corresponds to the acetylation of the entire amorphous domain of the cellulose fibers.
  • the fibers washed with chloroform were analyzed by transmission IR spectrometry.
  • the spectra of the acetylated fibers after and before washing with chloroform have a characteristic ester band at 1735 cm -1 if they are stackable.
  • the acetylated fibers in the form of braided fibers are immersed in a solution of 5% cellulose triacetate in chloroform. After incubation for one hour, the impregnated fibers are removed, the excess solution is removed and the yarns are dried at room temperature. The son obtained are much more rigid because of the cohesion between the fibers provided by the cellulose acetate. Control samples are prepared with nonacetylated threads.
  • Cellulose triacetate films containing rayon fibers were obtained by dispersing about 3 mg of virgin or acetylated rayon fibers in 1.5 ml of a TAC solution in 2% chloroform. After evaporation, cellulose acetate films containing the fibers are obtained.
  • the prepared samples were analyzed by light microscopy.
  • the results obtained indicate that native rayon fibers are not dispersed at all in cellulose acetate where they are in the form of entangled fiber clusters.
  • the acetylated fibers are capable of dispersing in this matrix of cellulose acetate, even going as far as to melt in the latter.
  • this is only an optical illusion because an extraction of the cellulose acetate matrix with chloroform restores the starting fibers.
  • the facies analysis of the composite wafer, acetylated fibers / cellulose acetate, in electron microscopy confirms the good quality of the fiber matrix interface.
  • Example 3 The acetylated fiber / cellulose acetate composites previously obtained in Example 3 are placed in a 0.5 N NaOH solution for 24 hours at room temperature. The resulting composites are then washed with distilled water and dried at 105 ° C for 24 hours.
  • Young's modulus was determined for different samples.
  • the acetylation of the fibers makes it possible to improve the value of the Young's modulus also at the level of the acetylated fiber / cellulose acetate composites as at the level of the cellulose / cellulose composites.
  • FNATAC non acetylated fibers + cellulose triacetate
  • FATAC acetylated fibers + cellulose triacetate
  • FNATACR non-acetylated fibers + cellulose triacetate after regeneration with sodium hydroxide
  • FATACR acetylated fibers + cellulose triacetate after regeneration with sodium hydroxide

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Abstract

The invention relates to novel cellulose composites and to methods for producing same, including the partial peracetylation of cellulose fibers having a degree of crystallinity of less than 80%.

Description

Nouveaux matériaux composites à base de cellulose  New cellulose composite materials
La présente invention concerne de nouveaux composites cellulose/cellulose et leurs procédés de fabrication. The present invention relates to novel cellulose / cellulose composites and methods for their manufacture.
Les composites thermoplastiques sont classiquement réalisés avec un mélange de fibres de renforts (verre, kevlar...) et d'une matrice thermoplastique. Le domaine des thermoplastiques offre de nombreux exemples de substitution des fibres minérales par des fibres de cellulose (Michaud, F. 2003). Les exigences de propriétés mécaniques sont, en effet, moindres que dans le cas des thermodurcissables et les problèmes de sensibilité à l'eau liés au caractère hydrophile des fibres de cellulose peuvent être surmontés par une stratégie d'encapsulation des fibres par la matrice polymère. Cette opération est rendue possible par le faible coût actuel des matrices polymères mais cette situation pourrait changer avec l'évolution à long terme des prix du pétrole. Les résultats obtenus sont toutefois médiocres essentiellement par suite de la mauvaise comptabilisation entre la surface hydrophile des fibres et la matrice polymère hydrophobe. De plus cette stratégie si elle est réalisée avec des matrices polymériques issues de la pétrochimie ne conduit qu'à des matériaux mixtes mi-naturels mi- synthétiques alors qu'il serait bien plus intéressant dans un contexte de développement durable de préparer des composites qui soient entièrement d'origine naturelle en utilisant des matrices thermoplastiques d'origine renouvelable.  Thermoplastic composites are conventionally made with a mixture of reinforcing fibers (glass, Kevlar, etc.) and a thermoplastic matrix. The field of thermoplastics offers numerous examples of substitution of mineral fibers by cellulose fibers (Michaud, F. 2003). The mechanical properties requirements are indeed lower than in the case of thermosets and water sensitivity problems related to the hydrophilic nature of the cellulose fibers can be overcome by a strategy of encapsulation of the fibers by the polymer matrix. This operation is made possible by the current low cost of polymer matrices, but this situation could change with the long-term evolution of oil prices. The results obtained, however, are poor mainly because of the poor accounting between the hydrophilic surface of the fibers and the hydrophobic polymer matrix. Moreover this strategy if it is carried out with polymeric matrices resulting from petrochemistry only leads to mixed semi-natural semi-synthetic materials whereas it would be much more interesting in a context of sustainable development to prepare composites that are entirely of natural origin using thermoplastic matrices of renewable origin.
Parmi les matrices polymères d'origine renouvelable utilisables pour des applications thermoplastiques, il en est une qui se distingue particulièrement et qui est l'acétate de cellulose (Zugenmaier, P. 2004). Ce dernier composé a déjà une longue histoire en tant que thermoplastique et c'est toujours un produit industriel important dans le domaine des membranes (Cerqueira, D.A., et al. 2008) et des filtres à cigarette notamment. Il s'agit, en réalité, d'une famille de produits puisque sont commercialisées également des spécialités de propionate, de butyrate et d'acétobutyrate de cellulose. Les acétates de cellulose ne sont pas considérés comme réellement biodégradables ce qui, dans de nombreux cas, est, en réalité, un avantage mais ils sont clairement recyclables par la classique régénération alcaline de l'acétate de cellulose en cellulose. Cette régénération est particulièrement intéressante dans le cas des matériaux cellulosiques car le recyclage des papiers imprimés s'opère précisément en conditions alcalines. Ces composés sont donc extrêmement attractifs pour une utilisation comme matrice thermoplastique à condition de résoudre le problème de la compatibilité de l'interface matrice d'acétate de cellulose/ fibres de cellulose. En effet, bien qu'elles soient toutes deux constituées de cellulose, ces deux matériaux n'ont pas les mêmes propriétés chimiques et physicochimiques et ils présentent même a priori une très mauvaise compatibilité. L'emploi classique comme charge à l'acétate de cellulose de matières cellulosiques végétales est par exemple décrite dans le brevet d'invention FR 519 822. Cependant, les fibres de cellulose et l'acétate de cellulose présentent une très mauvaise compatibilité. Among the polymer matrices of renewable origin that can be used for thermoplastic applications, there is one which stands out in particular and which is cellulose acetate (Zugenmaier, P. 2004). The latter compound has a long history as a thermoplastic and is still an important industrial product in the field of membranes (Cerqueira, DA, et al., 2008) and cigarette filters in particular. It is, in fact, a family of products since are also marketed specialties of propionate, butyrate and cellulose acetate butyrate. Cellulose acetates are not considered to be truly biodegradable, which in many cases is actually an advantage but they are clearly recyclable by the conventional alkaline regeneration of cellulose acetate to cellulose. This regeneration is particularly advantageous in the case of cellulosic materials because the recycling of printed papers takes place precisely in alkaline conditions. These compounds are therefore extremely attractive for use as a thermoplastic matrix provided that the problem of compatibility of the cellulose acetate / cellulose fiber matrix interface is solved. Indeed, although they are both made of cellulose, these two materials do not have the same chemical and physicochemical properties and they even a priori very poor compatibility. The conventional use as a cellulose acetate filler of vegetable cellulosic materials is for example described in the patent FR 519 822. However, cellulose fibers and cellulose acetate have a very poor compatibility.
Le document GB 570,529 décrit une poudre pour moulage contenant une résine synthétique et des fibres d'acétate de cellulose. Les fibres d'acétate de cellulose ont été obtenues par acétylation partielle de la cellulose dans des conditions fibreuses pour maintenir la structure des fibres. Ce document concerne essentiellement la substitution des fibres de renfort cellulosiques par des fibres de renfort à base de cellulose acétylée. Ce document ne précise par ailleurs pas la nature de la résine synthétique mise en œuvre.  GB 570,529 discloses a molding powder containing a synthetic resin and cellulose acetate fibers. Cellulose acetate fibers were obtained by partial acetylation of the cellulose under fibrous conditions to maintain the fiber structure. This document essentially concerns the substitution of cellulosic reinforcing fibers with acetylated cellulose reinforcement fibers. This document does not specify the nature of the synthetic resin used.
Le document DE 295 22 229 décrit un matériel à base d'acétate de cellulose et de fibres de cellulose naturelle. Les fibres de cellulose sont mises en œuvre sans traitement préalable particulier et l'incompatibilité relative des fibres de cellulose et de la matrice d'acétate de cellulose n'est donc pas résolue.  DE 295 22 229 describes a material based on cellulose acetate and natural cellulose fibers. The cellulose fibers are used without special pretreatment and the relative incompatibility of the cellulose fibers and the cellulose acetate matrix is therefore not resolved.
La demande de brevet US 2003/0124937 décrit un matériau comprenant des fibres de cellulose native et des fibres d'esters de cellulose. Ce matériau ne comprend pas une matrice thermoplastique dans laquelle sont dispersées des fibres de renfort.  US patent application 2003/0124937 discloses a material comprising native cellulose fibers and cellulose ester fibers. This material does not include a thermoplastic matrix in which reinforcing fibers are dispersed.
Une première approche pour résoudre ce problème de la compatibilité des fibres de renforts et de la matrice thermoplastique a été développée via l'acétylation de whiskers de cellulose (Sassi, J.-F. 1995). Le potentiel des whiskers comme structures de renfort nano métriques pour l'amélioration des propriétés mécaniques des composites thermoplastiques est, en effet, maintenant largement reconnu (Dufresne, A. 2008, Favier, V., Chanzy, H., et al. 1995, Hajji, P., et al. 1996, Helbert, W., et al. 1996, Petersson, L., et al. 2007). Les Whiskers sont des nanocristaux de cellulose obtenus par hydrolyse acide ménagée de fibres de cellulose. Par suite de leur forte hydrophilie, ces derniers posent cependant toujours de délicats problèmes de manipulation et de dispersion dans des milieux hydrophobes (Petersson, L., Kvien, L, et al. 2007). Il était donc tentant de profiter de la surface spécifique importante des whiskers pour réaliser leur acétylation superficielle afin de les rendre compatibles avec des matrices d'acétate de cellulose. Les résultats obtenus montrent effectivement une nette amélioration des propriétés de dispersion. Les propriétés mécaniques ne sont par contre pratiquement pas améliorées. Notre hypothèse est que ces résultats peuvent être interprétés en considérant que les conditions qui ont été utilisées par Sassi pour l'acétylation des whiskers induisent un clivage de la chaîne d'oligomère d'acétate de cellulose en formation. Il en résulte que les whiskers acétylés ne peuvent présenter à leur surface que des chaînes d'oligomère d'acétate de cellulose très courtes. Or nous savons d'après les travaux de Lônnberg (Lônnberg, H., et al. 2008) que l'amélioration des propriétés de dispersion et des propriétés mécaniques de micro fibrilles dispersées dans un polymère organique ne peut être obtenues que par le greffage covalent d'oligomère de polycaprolactone de poids moléculaire suffisant à la surface des microfïbriUes. Notre hypothèse est donc que les chaînes d'ohgomère d'acétate de cellulose présentes à la surface des whiskers ne seraient pas suffisamment longues pour interagir efficacement avec la matrice d'acétate de cellulose. De fait Sassi rapporte que les résultats obtenus avec des micro fibrilles acétylées en utilisant l'anhydride trifluoracétique comme activateur, c'est-à-dire conduisant à moins de réaction de clivage des chaînes d'acétate de cellulose en formation donneraient des résultats légèrement meilleurs que ceux obtenus avec les whiskers. Nous pouvons donc spéculer qu'une voie pour améliorer substantiellement les propriétés mécaniques de composites utilisant des fibres de cellulose comme renfort pourrait être de greffer autour des fibres de cellulose, des chaînes pendantes de nature chimique suffisamment proche et de poids moléculaire suffisant pour interagir efficacement avec les chaînes d'acétate de cellulose de la matrice polymérique exogène (Ly, B., et al. 2008). A first approach to solve this problem of the compatibility of the reinforcing fibers and the thermoplastic matrix has been developed via the acetylation of cellulose whiskers (Sassi, J.-F. 1995). The potential of whiskers as nanomechanical reinforcement structures for the improvement of the mechanical properties of thermoplastic composites is, in fact, now widely recognized (Dufresne, A. 2008, Favier, V., Chanzy, H., et al. Hajji, P., et al., 1996, Helbert, W., et al., 1996, Petersson, L., et al., 2007). Whiskers are cellulose nanocrystals obtained by controlled acid hydrolysis of cellulose fibers. Due to their high hydrophilicity, however, they still pose delicate problems of manipulation and dispersion in hydrophobic media (Petersson, L., Kvien, L, et al., 2007). It was therefore tempting to take advantage of the high specific surface area of the whiskers to perform their superficial acetylation in order to make them compatible with cellulose acetate matrices. The results obtained indeed show a clear improvement of the dispersion properties. On the other hand, the mechanical properties are practically not improved. Our hypothesis is that these results can be interpreted by considering that the conditions that were used by Sassi for the acetylation of whiskers induce a cleavage of the cellulose acetate oligomer chain in formation. As a result, acetylated whiskers can only have very short cellulose acetate oligomer chains on their surface. However, we know from Lönnberg's work (Lönnberg, H., et al., 2008) that the improvement of the dispersion properties and the mechanical properties of micro-fibrils dispersed in an organic polymer can only be obtained by covalent grafting. polycaprolactone oligomer of sufficient molecular weight on the surface of the microfïbriUes. Our hypothesis is that the cellulose acetate ohgomer chains present on the surface of the whiskers would not be long enough to interact effectively with the cellulose acetate matrix. In fact Sassi reports that the results obtained with acetylated micro fibrils using trifluoroacetic anhydride as an activator, that is to say leading to less cleavage reaction of the cellulose acetate chains in formation would give slightly better results. than those obtained with whiskers. We can therefore speculate that a way to substantially improve the mechanical properties of composites using cellulose fibers as reinforcement could be to graft around cellulose fibers, pendant chains of a sufficiently close chemical nature and of molecular weight sufficient to interact effectively with the cellulose acetate chains of the exogenous polymeric matrix (Ly, B., et al., 2008).
Avant de tenter d'apporter une solution à ce problème, il faut également attirer l'attention sur une autre difficulté qui apparaît dans l'utilisation de fibres cellulosiques comme renfort pour des matériaux composites. Cette dernière, que nous avons déjà évoquée, est liée à l'instabilité dimensionnelle des fibres en présence d'eau. Lorsqu'on analyse cette instabilité dimensionnelle au regard des connaissances que nous avons sur la structure des fibres de cellulose, il apparaît que cette dernière est liée à la présence de zones amorphes de cellulose entourant des zones cristallines et les reliant entre elles. Les zones cristallines très structurées sont caractérisées par des liaisons hydrogènes très fortes non déplaçables par l'eau tandis que les zones amorphes sont caractérisées par des liaisons hydrogènes faibles déplaçables par l'eau. Tout le concept sous-jacent à l'utilisation des whiskers vient de la perception de cette structure duale et à la volonté d'éliminer des parties amorphes de la fibre pour obtenir des nanocristaux les plus parfaits possibles et, partant, les plus résistants et les moins sensibles à la présence d'eau.  Before attempting to solve this problem, attention must also be drawn to another difficulty that arises in the use of cellulosic fibers as reinforcement for composite materials. The latter, which we have already mentioned, is related to the dimensional instability of the fibers in the presence of water. When we analyze this dimensional instability with regard to the knowledge we have on the structure of cellulose fibers, it appears that the latter is related to the presence of amorphous zones of cellulose surrounding crystalline zones and connecting them together. The highly structured crystalline zones are characterized by very strong hydrogen bonds that are not displaceable by water while the amorphous zones are characterized by weak hydrogel bonds displaceable by water. The whole concept underlying the use of whiskers comes from the perception of this dual structure and the desire to eliminate amorphous parts of the fiber to obtain the most perfect nanocrystals possible and therefore the most resistant and the most resistant. less sensitive to the presence of water.
L'invention se situe à ce niveau. Au lieu en effet de tenter de résoudre le problème de l'instabilité dimensionnelle en éliminant les parties amorphes des fibres par hydrolyse acide ménagée ou autre, l'invention consiste à leur faire perdre leur sensibilité à l'eau en tirant avantage de leur évidente plus grande réactivité chimique et en les transformant via une modification chimique appropriée en oligomères d'acétate de cellulose de haut poids moléculaire capables d'interagir efficacement avec une matrice polymérique d'acétate de cellulose. Cette opération n'aurait toutefois pas de sens si les oligomères ainsi synthétisés se trouvaient, par suite de la modification chimique en question, être détachés de la structure de la fibre. Il est indispensable, en effet, que les chaînes d'oligomères d'acétate de cellulose formées restent fermement liées par liaison covalente à la structure principale de la fibre. Il est donc indispensable de choisir des conditions d'acylation douces préservant les liaisons glycosidiques de cellulose ou autrement dit ne conduisant pas une hydrolyse de ces molécules de cellulose. The invention lies at this level. Instead of attempting to solve the problem of dimensional instability by eliminating the amorphous parts of the fibers by acidic hydrolysis or other means, the invention is to make them lose their sensitivity to water by taking advantage of their obvious more high chemical reactivity and transforming them via appropriate chemical modification into high molecular weight cellulose acetate oligomers capable of effectively interacting with a polymeric matrix of cellulose acetate. This operation, however, would be pointless if the oligomers thus synthesized were, as a result of the chemical modification in question, detached from the structure of the fiber. It is essential, in fact, that the formed cellulose acetate oligomer chains remain firmly bonded by covalent bonding to the main structure of the fiber. It is therefore essential to choose mild acylation conditions preserving the glycosidic bonds of cellulose or in other words not leading to hydrolysis of these cellulose molecules.
Divers procédés d'acylation ou d'acétylation de la cellulose sont connus de l'art antérieur. L'acylation de la cellulose est en général conduite en présence d'un catalyseur tel qu'un acide fort. Cette acylation conduit non seulement à l'acylation de la cellulose mais également à une coupure des fibres des celluloses. Le produit obtenu - typiquement l'acétate de cellulose - a ainsi un DP réduit suite à l'hydrolyse des molécules de cellulose. Il devient alors soluble dans les solvants organiques tels que le chloroforme ou l'acétone alors que la cellulose n'est pas soluble dans ces solvants. Cette acylation peut également avoir lieu dans des conditions fibreuses. Dans tous les cas, l'acylation s'accompagne cependant d'une hydrolyse des molécules de cellulose.  Various methods of acylation or acetylation of cellulose are known from the prior art. The acylation of the cellulose is generally carried out in the presence of a catalyst such as a strong acid. This acylation leads not only to the acylation of the cellulose but also to a cut in the fibers of the celluloses. The product obtained - typically cellulose acetate - thus has a reduced DP following the hydrolysis of the cellulose molecules. It then becomes soluble in organic solvents such as chloroform or acetone while the cellulose is not soluble in these solvents. This acylation can also take place under fibrous conditions. In all cases, however, the acylation is accompanied by hydrolysis of the cellulose molecules.
Le brevet US 2,772,944 mentionne la difficulté à acétyler la cellulose en surface tout en conservant sa structure fibreuse. Ce document décrit un procédé comprenant une imprégnation des fibres avec de l'acide acétique glacial puis une réaction avec l'anhydride acétique en présence d'acide perchlorique. Cette acétylation en conditions fibreuses conduit cependant à une lyse partielle des fibres de cellulose.  US Pat. No. 2,772,944 mentions the difficulty of acetylating cellulose at the surface while retaining its fibrous structure. This document describes a process comprising impregnating the fibers with glacial acetic acid and then reacting with acetic anhydride in the presence of perchloric acid. This acetylation under fibrous conditions, however, leads to partial lysis of the cellulose fibers.
Le document US 2,535,919 mentionne que les fibres de cellulose comprennent de la cellulose amorphe ainsi que de la cellulose cristalline et ce document décrit Γ acétylation partielle de ces fibres de cellulose. Cependant, les conditions d'acétylation utilisées comprennent une imprégnation des fibres avec de l'acide acétique glacial puis une réaction avec l'anhydride acétique en présence d'un acide fort. Cette acétylation est conduite en conditions fibreuses en absence de solvant mais il s'agit néanmoins de conditions d'acétylation « dures » conduisant à une coupure des chaînes de cellulose. Ceci est illustré par le fait que l'acétate de cellulose formé est soluble dans le chlorure de méthylène mis en œuvre dans ce document pour rendre les fibres adhésives.  No. 2,535,919 discloses that the cellulose fibers comprise amorphous cellulose as well as crystalline cellulose and this document describes the partial acetylation of these cellulose fibers. However, the acetylation conditions used include impregnation of the fibers with glacial acetic acid followed by reaction with acetic anhydride in the presence of a strong acid. This acetylation is conducted in fibrous conditions in the absence of solvent, but it is nonetheless a "hard" acetylation condition leading to cleavage of the cellulose chains. This is illustrated by the fact that the formed cellulose acetate is soluble in the methylene chloride used in this document to make the fibers sticky.
Le procédé d'acylation mis en œuvre dans la présente invention repose sur une activation et un acylation sélective des zones amorphes des fibres de cellulose dans des conditions préservant les liaisons glycosidiques des molécules de cellulose. Ces conditions étaient par ailleurs déjà décrites dans la littérature (Fraizy, J. 1966, Nagai, K. and Saito, M. 1960).  The acylation process used in the present invention is based on activation and selective acylation of the amorphous zones of the cellulose fibers under conditions that preserve the glycosidic bonds of the cellulose molecules. These conditions were already described in the literature (Fraizy, J. 1966, Nagai, K. and Saito, M. 1960).
Cependant, pour aboutir aux résultats de la présente invention, il ne suffit pas simplement d'utiliser des conditions de modification chimiques qui ne conduisent pas à des coupures de liaisons glycosidiques mais encore faut il que les chaînes moléculaires de cellulose qui font partie des zones amorphes présentent une partie d'elles mêmes sous forme cristalline. Les molécules de cellulose elles-mêmes doivent donc présenter des zones cristallines et des zones amorphes. A notre grande surprise, nous avons constaté en prenant un modèle de fibres de cellulose particulièrement peu cristallines, les fibres de rayonne, où nous avions le plus de chances de rencontrer des chaînes moléculaires de cellulose situées entièrement dans les zones amorphes que la grande majorité des chaînes moléculaires comportaient des segments présents à la fois dans les zones cristallines et dans les zones amorphes. However, to arrive at the results of the present invention, it is not enough simply to use chemical modification conditions which do not lead to cuts of glycosidic bonds, but it is also necessary that the molecular chains of cellulose which are part of the amorphous zones. present part of themselves in crystalline form. The cellulose molecules themselves must therefore have crystalline zones and amorphous zones. To our great surprise, we found by taking a particularly low crystalline cellulose fiber model, rayon fibers, where we were most likely to encounter molecular chains of cellulose located entirely in the amorphous zones that the vast majority of Molecular chains contained segments present in both crystalline and amorphous zones.
Pour vérifier ce point, nous avons soumis les fibres de rayonne à un traitement d'acétylation particulier reposant sur l'activation spécifique et quantitative des hydroxyles de cellulose présents dans les zones amorphes et ne conduisant pas à des réactions de coupures des liaisons glycosuriques (Fraizy, J. 1966, Nagai, K. and Saito, M. 1960). Ce traitement conduit donc normalement à l'acétylation quantitative de tous les hydroxyles présents dans les zones amorphes. Après traitement, nous avons pesé les échantillons et vérifié que le poids de ces derniers avait bien augmenté de 38% en conformité avec le taux de cristallinité connu des fibres de rayonne soit 50%. Nous avons ensuite extrait les fibres traitées avec du chloroforme qui est un solvant connu pour ses propriétés de solubilisation d'oligomères de tri-acétate de cellulose qui sont les espèces synthétisées dans nos conditions. A notre grande surprise, les quantités de tri-acétate que nous avons ainsi pu extraire se sont révélées très faibles, moins de 4%. Les spectres IR réalisés avant et après le lavage au chloroforme sont également superposables ce qui indique bien que la plus grande partie des oligomères d'acétate de cellulose sont bien restés associés à la structure de la fibre.  To verify this point, we subjected the rayon fibers to a particular acetylation treatment based on the specific and quantitative activation of the cellulose hydroxyls present in the amorphous zones and not leading to reactions of cuts of the glycosuric bonds (Fraizy J. 1966, Nagai, K. and Saito, M. 1960). This treatment therefore normally leads to the quantitative acetylation of all the hydroxyls present in the amorphous zones. After treatment, we weighed the samples and verified that the weight of the latter had increased by 38% in accordance with the known crystallinity rate of the rayon fibers is 50%. We then extracted the treated fibers with chloroform which is a solvent known for its solubilizing properties of cellulose tri-acetate oligomers which are the species synthesized under our conditions. To our surprise, the quantities of tri-acetate that we were able to extract were very low, less than 4%. The IR spectra made before and after the chloroform washing are also superimposable, which indicates that most of the cellulose acetate oligomers have remained associated with the structure of the fiber.
Ce résultat indique sans ambiguïté que les chaînes moléculaires de cellulose comportent des segments appartenant aux zones cristallines et amorphes et que des conditions d'acétylation comme celle que nous avons utilisée conduisaient à un assemblage supramoléculaire avec d'un côté, l'ensemble des zones cristallines non dérivées et de l'autres des chaînes d'oligomères d'acétate de cellulose reliées à ces zones cristallines par les liaisons glycosidiques qui reliaient précédemment les différents segments cristallins et amorphes des chaînes moléculaires de cellulose.  This result unambiguously indicates that the molecular chains of cellulose contain segments belonging to the crystalline and amorphous zones and that acetylation conditions such as the one we used led to a supramolecular assembly with on one side all the crystalline zones. undifferentiated and other chains of cellulose acetate oligomers connected to these crystalline areas by the glycosidic bonds that previously connected the different crystalline and amorphous segments of the molecular chains of cellulose.
L'invention consiste donc à atteindre deux objectifs importants en réalisant une seule opération clé, la peracétylation de l'ensemble des zones amorphes des fibres de cellulose. Cette modification permet en effet de supprimer la sensibilité dimensionnelle des fibres de cellulose par transformation des zones amorphes hydrophiles en zones apolaires hydrophobes (réduction de 40%> de la prise en eau des fibres acétylées). On génère ainsi des oligomères d'acétate de cellulose qui représentent entre 30 et 50%> du matériel cellulosique de départ. Ces oligomères obtenus sans aucune coupure de liaisons glycosidiques sont donc nécessairement de haut poids moléculaire et vont ainsi être capables d'établir une interaction de très bonne qualité avec des matrices d'acétate de cellulose. A l'extrême, il est même possible de faire fusionner entre elles des fibres dont les parties amorphes ont été acétylées sans avoir à rajouter de l'acétate de cellulose exogène. L'invention repose ainsi sur l'utilisation de fibres de cellulose native de préférence à des whiskers ou des microfibrilles qui non seulement sont complexes et coûteux à fabriquer mais qui ont perdu par définition cette cellulose amorphe que nous mettons maintenant particulièrement à profit. The invention therefore consists in achieving two important objectives by carrying out a single key operation, the peracetylation of all the amorphous zones of the cellulose fibers. This modification makes it possible to eliminate the dimensional sensitivity of the cellulose fibers by transforming the hydrophilic amorphous zones into hydrophobic apolar zones (40% reduction in the water uptake of the acetylated fibers). Cellulose acetate oligomers are thus generated which represent between 30 and 50% of the starting cellulosic material. These oligomers obtained without any cleavage of glycosidic bonds are therefore necessarily of high molecular weight and will thus be able to establish a very good interaction with cellulose acetate matrices. At the extreme, it is even possible to fuse together fibers whose amorphous parts have been acetylated without having to add cellulose acetate exogenous. The invention thus relies on the use of native cellulose fibers in preference to whiskers or microfibrils which are not only complex and expensive to manufacture but which by definition have lost this amorphous cellulose which we now make particular use of.
La qualité de la comptabilisation obtenue par l'acétylation des zones amorphes vis- à-vis de matrices thermoplastiques d'acétate de cellulose a été déterminée par des essais de dispersion de fibres partiellement acétylées dans des matrices d'acétate de cellulose.  The quality of the accounting obtained by the acetylation of the amorphous zones with respect to thermoplastic matrices of cellulose acetate was determined by dispersion tests of partially acetylated fibers in cellulose acetate matrices.
Les résultats obtenus indiquent que les fibres de rayonne native ne sont pas du tout dispersées dans l'acétate de cellulose où elles se présentent sous forme d'amas de fibres enchevêtrées. Au contraire, les fibres acétylées sont capables de se disperser dans cette matrice d'acétate de cellulose, allant même jusqu'à sembler se fondre dans cette dernière. Il ne s'agit pourtant que d'une illusion d'optique car une extraction de la matrice d'acétate de cellulose par du chloroforme redonne bien les fibres de départ. L'analyse des faciès de la tranche du composite, fibres acétylées/acétate de cellulose, en microscopie électronique permet de confirmer la bonne qualité de l'interface fibre matrice. The results obtained indicate that native rayon fibers are not dispersed at all in cellulose acetate where they are in the form of entangled fiber clusters. On the contrary, the acetylated fibers are capable of dispersing in this matrix of cellulose acetate, even going as far as to melt in the latter. However, this is only an optical illusion because an extraction of the cellulose acetate matrix with chloroform restores the starting fibers. The facies analysis of the composite wafer, acetylated fibers / cellulose acetate, in electron microscopy confirms the good quality of the fiber matrix interface.
L'amélioration des propriétés mécaniques a été déterminée par la mesure du module d'Young qui démontre une augmentation significative de 21%.  The improvement of the mechanical properties was determined by the measurement of the Young's modulus which shows a significant increase of 21%.
La qualité de la compatibilisation obtenue a été également caractérisée par la régénération des composites fibres de cellulose acétylées/acétate de cellulose en milieu basique. On sait en effet qu'il est possible de régénérer de la cellulose II par traitement alcalin de l'acétate de cellulose. C'est notamment le procédé d'obtention des fibres de Fortisan (Kim, I. S., et al. 2002, Koh, J., et al. 2004).  The quality of the compatibilization obtained was also characterized by the regeneration of the acetylated cellulose fiber / cellulose acetate composites in a basic medium. It is known that it is possible to regenerate cellulose II by alkaline treatment of cellulose acetate. This is notably the process for obtaining Fortisan fibers (Kim, I.S., et al., 2002, Koh, J., et al., 2004).
Dans notre cas, l'analyse en microscopie électronique du faciès de rupture après traitement alcalin indique clairement une disparition totale de l'interface fibre matrice alors que cette interface est très visible si on utilise des fibres de cellulose non acétylés dispersés dans de l'acétate de cellulose et soumises à la régénération par traitement alcalin  In our case, the electron microscopic analysis of the fracture facies after alkaline treatment clearly indicates a total disappearance of the matrix fiber interface whereas this interface is very visible if nonacetylated cellulose fibers dispersed in acetate are used. of cellulose and subjected to regeneration by alkaline treatment
D'une manière intéressante, la co -régénération des composites fibres acétylés/acétate de cellulose conduit elle-même à des matériaux originaux qui sont des composites cellulose/cellulose thermostables.  Interestingly, the co-regeneration of the acetylated fiber / cellulose acetate composites itself leads to novel materials that are thermostable cellulose / cellulose composites.
Les composites thermostables sont classiquement obtenus par des procédés de polymérisation in situ et conduisent à des assemblages réticulés dans les trois dimensions. Un inconvénient majeur de ces composites est leur absence quasi-totale de propriétés de recyclage (en dehors de valorisation thermique ou pour faire des charges).  Heat-stable composites are conventionally obtained by in situ polymerization processes and lead to crosslinked assemblies in all three dimensions. A major disadvantage of these composites is their almost total absence of recycling properties (apart from thermal recovery or to make charges).
La non recyclabilité de ces composites est liée au fait que les liaisons de réticulation sont de nature covalente et qu'il est pratiquement impossible de les rompre. The non-recyclability of these composites is related to the fact that the crosslinking bonds are of a covalent nature and that it is practically impossible to break them.
Il existe pourtant déjà des composites thermostables recyclables. Ces derniers sont préparés à partir de matrice cellulose renforcées par des fibres de cellulose. Ils sont préparés par exemple en utilisant le pouvoir solvant envers la cellulose de certaines solutions comme le DMAc/LiCl. Comme la solubilisation est un phénomène progressif, il suffit de la bloquer par dilution au bout d'une période définie conduisant ainsi à un composite cellulose/cellulose dans lequel les fibres non encore solubilisées constituent la partie renfort, la matrice étant constituée par la cellulose régénérée. Ce qui caractérise ce type de composites cellulose/cellulose est le fait que la réticulation n'est plus effectuée au travers de liaisons chimiques covalentes irréversibles mais par l'intermédiaire de liaisons hydrogènes réversibles. Il n'y a pas dénaturation chimique des macromolécules de cellulose qui conservent ainsi toutes leurs propriétés de biodégradabilité et de recyclabilité. Pratiquement toutefois, il s'agit, d'après les travaux décrits dans la littérature, (Nishino, T. and Arimoto, N. 2007) d'un phénomène difficile à contrôler et dont l'industrialisation est difficilement envisageable compte tenu du temps nécessaire pour le moulage de pièces. Il est, en effet, nécessaire de maintenir l'échantillon en compression durant toute la durée de l'élimination du solvant. However, there are already thermostable composites recyclable. These are prepared from cellulose matrix reinforced with cellulose fibers. They are prepared for example by using the solvent power towards the cellulose of certain solutions like DMAc / LiCl. As the solubilization is a progressive phenomenon, it suffices to block it by dilution after a defined period thus leading to a cellulose / cellulose composite in which the fibers not yet solubilized constitute the reinforcing part, the matrix being constituted by the regenerated cellulose . What characterizes this type of cellulose / cellulose composites is the fact that the crosslinking is no longer carried out through irreversible covalent chemical bonds but via reversible hydrogen bonds. There is no chemical denaturation of cellulose macromolecules which thus retain all their biodegradability and recyclability properties. Practically, however, it is, according to the work described in the literature, (Nishino, T. and Arimoto, N. 2007) a phenomenon difficult to control and whose industrialization is difficult to envisage given the time required for molding parts. It is indeed necessary to keep the sample in compression for the duration of the removal of the solvent.
La méthode que nous proposons permet d'envisager une véritable mise en œuvre industrielle. L'intérêt de préparer ces composites thermostables par cette méthode provient en effet du fait que les composites précurseurs sont des composites thermoplastiques qui peuvent donc être préparés de façon industrielle avec des outils conventionnels. L'amélioration des propriétés mécaniques a été mesurée par l'augmentation significative du module de Young de 25%.  The method we propose allows to consider a real industrial implementation. The advantage of preparing these thermostable composites by this method comes from the fact that the precursor composites are thermoplastic composites which can therefore be prepared industrially with conventional tools. The improvement of the mechanical properties was measured by the significant increase of the Young's modulus of 25%.
La méthode que nous proposons permet de plus de préparer des composites thermostables non totalement saponifiés avec des propriétés différentes comme une moindre instabilité dimensionnelle ou une plus grande plasticité liées à la présence d'acétates résiduels.  The method we propose allows more to prepare thermostable composites not completely saponified with different properties such as less dimensional instability or greater plasticity related to the presence of residual acetates.
RESUME DE L'INVENTION SUMMARY OF THE INVENTION
La présente invention se rapporte à des procédés de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :  The present invention relates to processes for manufacturing a cellulose-based composite material characterized in that it comprises the following steps:
a) Mise à disposition de fibres de cellulose comprenant des zones cristallines et au moins 20% de zones amorphes,  a) provision of cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones,
b) Activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin, c) Acylation sélective des zones amorphes des fibres de cellulose par des acides gras de bas poids moléculaire choisis parmi l'acétate, le propionate, le butyrate et leurs mélanges, dans des conditions réactionnelles préservant les liaisons glycosidiques de la cellulose, jusqu'à l'obtention de fibres de cellulose ayant un taux d'acylation compris entre 10%>-50%> en masse,  b) Activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment, c) Selective acylation of the amorphous zones of the cellulose fibers by low molecular weight fatty acids chosen from acetate, propionate, butyrate and their mixtures, in reaction conditions preserving the glycosidic linkages of the cellulose, until cellulose fibers having an acylation level of between 10% and -50% by weight are obtained,
d) Ajout d'une matrice polymérique thermoplastique choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges, e) Optionnellement, mise en forme du matériau composite obtenu à l'étape précédente par moulage à chaud, injection à chaud et/ou compression à chaud. d) Adding a thermoplastic polymeric matrix chosen from cellulose acetates, cellulose proprionates, cellulose butyrates, cellulose acetobutyrates and mixtures thereof, e) Optionally, shaping the composite material obtained in the previous step by hot molding, hot injection and / or hot pressing.
Dans un mode de réalisation, l'activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin est effectuée avec une solution aqueuse alcaline d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium.  In one embodiment, the activation of the amorphous areas of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out with an aqueous alkaline solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide.
Dans un autre mode de réalisation, l'activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin est effectuée avec de l'acétate de potassium ou de l'acétate de sodium.  In another embodiment, activation of the amorphous areas of the cellulose fibers by alkaline treatment is carried out with potassium acetate or sodium acetate.
De préférence, l'acylation des zones amorphes des fibres de cellulose comprend la mise en contact des fibres de cellulose avec un agent d'acylation dans des conditions neutres.  Preferably, the acylation of the amorphous areas of the cellulose fibers comprises contacting the cellulose fibers with an acylating agent under neutral conditions.
Dans des modes de réalisation préférés, l'agent d'acylation est choisi parmi l'anhydride acétique, l'anhydride butyrique, l'anhydride propionique, les anhydrides mixtes, le chlorure d'acide acétique, le chlorure d'acide propionique, le chlorure d'acide butyrique, les acétates activés, les propionates activés, les butyrates activés et leurs mélanges.  In preferred embodiments, the acylating agent is selected from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride, butyric acid chloride, activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
Dans un premier mode de réalisation, l'étape d) comprend l'ajout de 1% à 50% en poids de matrice thermoplastique par rapport au poids des fibres de cellulose.  In a first embodiment, step d) comprises the addition of 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix relative to the weight of the cellulose fibers.
Dans un deuxième mode de réalisation, l'étape d) comprend une immersion des fibres de cellulose sous forme de fils tressés dans la matrice suivie d'un séchage des fibres.  In a second embodiment, step d) comprises immersing the cellulose fibers in the form of braided yarns in the matrix followed by drying the fibers.
Dans un troisième mode de réalisation, l'étape d) comprend la dispersion des fibres de cellulose dans la matrice thermolastique.  In a third embodiment, step d) comprises dispersing the cellulose fibers in the thermolastic matrix.
De préférence, les fibres de cellulose sont choisies parmi les fibres de rayonne, d'abaca, de bambou, de chanvre, de coir, de noix de coco, de coton, provenant de la graine, de genêt, de spartier à tiges de jonc, de gucca, de jute, de kapok, de kennaf, de lin, de manille, d'ortie, de paille, de ramie, de raphia ou de sisal ou de leurs mélanges.  Preferably, the cellulose fibers are chosen from fibers of rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, originating from the seed, broom, stem broth , gucca, jute, kapok, kennaf, flax, shackle, nettle, straw, ramie, raffia or sisal or mixtures thereof.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les fibres de cellulose sont des fibres de rayonne et la matrice polymérique thermoplastique est du triacétate de cellulose.  In a preferred embodiment of the invention, the cellulose fibers are rayon fibers and the thermoplastic polymeric matrix is cellulose triacetate.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé comprend en outre une étape de saponification partielle ou totale du matériau composite à base de cellulose obtenu à l'étape d) ou à l'étape e).  In a particular embodiment of the invention, the method further comprises a step of partial or total saponification of the cellulose-based composite material obtained in step d) or in step e).
De préférence, la saponification comprend le traitement du matériau avec une solution d'hydroxyde de sodium suivi du lavage et du séchage du matériau.  Preferably, the saponification comprises treating the material with sodium hydroxide solution followed by washing and drying the material.
L'invention a également pour objet un matériau composite thermoplastique à base de cellulose susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention.  The subject of the invention is also a thermoplastic composite material based on cellulose which can be obtained by the process according to the invention.
L'invention se rapporte également à un procédé de recyclage d'un matériau composite thermoplastique à base de cellulose dans lequel le matériau est soumis à une acétylation complète en présence d'un acide fort. L'invention a également pour objet un matériau composite thermostable à base de cellulose susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention comprenant une étape de saponification. L'invention a pour objet un matériau composite à base de cellulose comprenant : o Des fibres de cellulose comprenant des zones cristallines et au moins 20% de zones amorphes, au moins 80% de ces zones amorphes étant acylées par des acides gras de bas poids moléculaire choisis parmi l'acétate, le propionate, le butyrate et leurs mélanges; The invention also relates to a process for recycling a cellulose-based thermoplastic composite material in which the material is subjected to complete acetylation in the presence of a strong acid. The invention also relates to a thermostable composite material based on cellulose obtainable by the method according to the invention comprising a saponification step. The subject of the invention is a cellulose-based composite material comprising: cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones, at least 80% of these amorphous zones being acylated by low-weight fatty acids; molecular compounds selected from acetate, propionate, butyrate and mixtures thereof;
o Une matrice polymérique thermoplastique compatible choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges.  a compatible thermoplastic polymer matrix chosen from cellulose acetates, cellulose proprionates, cellulose butyrates and cellulose acetate butyrates, and mixtures thereof.
De préférence, le matériau composite à base de cellulose comprend de 1% à 50%> en poids de matrice thermoplastique.  Preferably, the cellulose-based composite material comprises from 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix.
De préférence, le matériau composite à base de cellulose comprend de 50%> à 99% en poids de fibres de cellulose.  Preferably, the cellulose-based composite material comprises from 50% to 99% by weight of cellulose fibers.
Dans des modes de réalisation préférés, les fibres de cellulose sont choisies parmi les fibres de rayonne, d'abaca, de bambou, de chanvre, de coir, de noix de coco, de coton, provenant de la graine, de genêt, de spartier à tiges de jonc, de gucca, de jute, de kapok, de kennaf, de lin, de manille, d'ortie, de paille, de ramie, de raphia, de sisal ou de leurs mélanges.  In preferred embodiments, the cellulose fibers are selected from rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, seed, broom, cottons with rods of rush, gucca, jute, kapok, kennaf, flax, manila, nettle, straw, ramie, raffia, sisal or their mixtures.
Dans un mode de réalisation avantageux, le matériau composite à base de cellulose comprend des fibres de rayonne partiellement acétylées ayant un taux d'acétylation compris entre 20% et 40% en masse.  In an advantageous embodiment, the cellulose-based composite material comprises partially acetylated rayon fibers having a degree of acetylation of between 20% and 40% by weight.
De préférence, la matrice polymérique thermoplastique est du triacétate de cellulose.  Preferably, the thermoplastic polymeric matrix is cellulose triacetate.
Dans certains modes de réalisation le matériau composite est au moins partiellement saponifié.  In some embodiments the composite material is at least partially saponified.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose comprenant les étapes suivantes :  Another object of the invention is a method of manufacturing a composite material based on cellulose comprising the following steps:
a) Acylation partielle de fibres de cellulose par des acides gras de bas poids moléculaire choisis parmi l'acétate, le propionate, le butyrate et leurs mélange, lesdites fibres de cellulose comprenant des zones cristallines et au moins 20% de zones amorphes, dans des conditions réactionnelles douces conduisant à l'acétylation d'au moins 80%> des zones amorphes de la cellulose et ne conduisant pas à l'hydrolyse de la cellulose, b) Ajout d'une matrice polymérique thermoplastique compatible choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges, c) Optionnellement, mise en forme du matériau composite obtenu à l'étape précédente par moulage à chaud, injection à chaud et/ou compression à chaud. a) Partial acylation of cellulose fibers by low molecular weight fatty acids selected from acetate, propionate, butyrate and mixtures thereof, said cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones, in mild reaction conditions leading to the acetylation of at least 80% of the amorphous areas of the cellulose and not leading to the hydrolysis of the cellulose, b) Addition of a Compatible Thermoplastic Polymer Matrix Selected from Cellulose Acetates, Cellulose Propionates, Cellulose Butyrates, Cellulose Acetobutyrates and Their Mixtures, c) Optionally, Shaping the Composite Material Obtained in Step previous by hot molding, hot injection and / or hot pressing.
De préférence, l'acylation partielle des fibres de cellulose comprend :  Preferably, the partial acylation of the cellulose fibers comprises:
o l'activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin, o la mise en contact des fibres de cellulose traitées obtenues à l'étape précédente avec un agent d'acylation.  activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment, contacting the treated cellulose fibers obtained in the preceding step with an acylating agent.
Dans un premier mode de réalisation, l'activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin est effectuée par une imprégnation des fibres de cellulose avec une solution aqueuse alcaline d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium.  In a first embodiment, the activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out by impregnating the cellulose fibers with an aqueous alkaline solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide.
Dans un deuxième mode de réalisation, l'activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin est effectuée par une imprégnation des fibres de cellulose avec de l'acétate de potassium ou de l'acétate de sodium.  In a second embodiment, the activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out by impregnating the cellulose fibers with potassium acetate or sodium acetate.
De préférence, l'agent d'acylation est choisi parmi l'anhydride acétique, l'anhydride butyrique, l'anhydride propionique, les anhydrides mixtes, le chlorure d'acide acétique, le chlorure d'acide propionique, le chlorure d'acide butyrique, les acétates activés, les propionates activés, les butyrates activés et leurs mélanges.  Preferably, the acylating agent is chosen from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride and acid chloride. butyric acid, activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
Dans des modes de réalisation préférés, les fibres de cellulose sont choisies parmi les fibres de rayonne, d'abaca, de bambou, de chanvre, de coir, de noix de coco, de coton, provenant de la graine, de genêt, de spartier à tiges de jonc, de gucca, de jute, de kapok, de kennaf, de lin, de manille, d'ortie, de paille, de ramie, de raphia ou de sisal ou de leurs mélanges.  In preferred embodiments, the cellulose fibers are selected from rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, seed, broom, cottons with rods of rush, gucca, jute, kapok, kennaf, flax, manila, nettle, straw, ramie, raffia or sisal or their mixtures.
Dans les procédés selon l'invention, les fibres de cellulose sont de préférence des fibres de rayonne et la matrice polymérique thermoplastique est de préférence du triacétate de cellulose.  In the processes according to the invention, the cellulose fibers are preferably rayon fibers and the thermoplastic polymeric matrix is preferably cellulose triacetate.
De préférence, l'étape b) comprend l'ajout de 1% à 50% en poids de matrice thermoplastique par rapport au poids des fibres de cellulose.  Preferably, step b) comprises the addition of 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix relative to the weight of the cellulose fibers.
De préférence, l'étape b) comprend une immersion des fibres de cellulose sous forme de fils tressés dans la matrice suivie d'un séchage des fibres.  Preferably, step b) comprises immersing the cellulose fibers in the form of braided yarns in the matrix followed by drying the fibers.
De préférence, l'étape b) comprend la dispersion des fibres de cellulose dans la matrice.  Preferably, step b) comprises dispersing the cellulose fibers in the matrix.
Dans certains modes de réalisation, les procédés selon l'invention comprennent en outre une étape de saponification partielle ou totale du matériau composite à base de cellulose obtenu à l'étape b) ou à l'étape c). De préférence, cette saponification comprend le traitement du matériau avec une solution d'hydroxyde de sodium suivi du lavage et du séchage du matériau. In some embodiments, the methods according to the invention further comprise a step of partial or total saponification of the cellulose-based composite material obtained in step b) or in step c). Preferably, this saponification comprises treating the material with sodium hydroxide solution followed by washing and drying the material.
L'invention se rapporte aussi à des matériaux composites thermoplastique à base de cellulose susceptible d'être obtenu par les procédés selon l'invention.  The invention also relates to cellulose-based thermoplastic composite materials that can be obtained by the methods according to the invention.
L'invention se rapporte aussi à des matériaux composites thermostables à base de cellulose susceptible d'être obtenu par les procédés selon l'invention.  The invention also relates to thermostable composite materials based on cellulose that can be obtained by the processes according to the invention.
DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention se rapporte donc à des procédés de fabrication de différents composites à base de cellulose et notamment de matériaux composites cellulose/acétate de cellulose et de matériaux composites cellulose/cellulose. DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention thus relates to processes for the manufacture of various cellulose-based composites and in particular cellulose / cellulose acetate composite materials and cellulose / cellulose composite materials.
Les procédés classiques d'acylation et notamment d'acétylation de la cellulose utilisent un acide fort comme catalyseur tel que l'acide sulfurique, l'acide perchlorique ou l'acide phosphorique, dans ces conditions, l'acétylation et l'hydrolyse des molécules de cellulose conduit alors à un acétate de cellulose so lubie dans différents solvants organiques comme le chloroforme et l'acétone par exemple.  Conventional acylation and especially cellulose acetylation processes use a strong acid as a catalyst such as sulfuric acid, perchloric acid or phosphoric acid, under these conditions, acetylation and hydrolysis of the molecules. cellulose then leads to a cellulose acetate dissolved in various organic solvents such as chloroform and acetone, for example.
Dans les procédés de la présente invention, des conditions réactionnelles plus douces permettent d'obtenir une acylation sélective des zones amorphes de la cellulose ne s 'accompagnant pas d'une hydrolyse des liaisons glycosidiques des molécules de cellulose. Dans les procédés selon la présente invention, l'intégrité des molécules de cellulose et en particulier des liaisons glycosidiques des molécules de cellulose est conservée. Cette acétylation sélective des zones amorphes de la cellulose n'est pas effectué en présence d'un catalyseur tel qu'un acide fort et par conséquent une étape préalable d'activation des zones amorphes des fibres de cellulose est en général requise.  In the processes of the present invention, milder reaction conditions permit selective acylation of the amorphous areas of the cellulose not accompanied by hydrolysis of the glycosidic linkages of the cellulose molecules. In the processes according to the present invention, the integrity of the cellulose molecules and in particular glycosidic bonds of the cellulose molecules is maintained. This selective acetylation of the amorphous areas of the cellulose is not carried out in the presence of a catalyst such as a strong acid and therefore a prior step of activating the amorphous areas of the cellulose fibers is generally required.
Dans la présente invention, la réaction d'acylation est donc conduite dans des conditions neutres et en particulier dans des conditions ioniquement neutres. Les conditions d'acylation sont donc ni acides ni basiques. Les procédés d'acylation sélective des zones amorphes des fibres de cellulose en maintenant l'intégrité des molécules de cellulose ont par ailleurs été décrits dans l'art antérieur (Fraizy, 1966, Nagai et Sato, 1960).  In the present invention, the acylation reaction is therefore conducted under neutral conditions and in particular under ionically neutral conditions. The acylation conditions are therefore neither acidic nor basic. Methods for selective acylation of the amorphous zones of cellulose fibers by maintaining the integrity of the cellulose molecules have also been described in the prior art (Fraizy, 1966, Nagai and Sato, 1960).
Cette acylation partielle des fibres de cellulose préservant l'intégrité des molécules de cellulose repose sur la mise en œuvre de fibres de cellulose possédant une phase amorphe importante, cette dernière étant plus réactive que la phase cristalline. L' acylation dans des conditions réactionnelles douces se limite par conséquent à Γ acylation des zones amorphes de la fibre conduisant à une acylation partielle de la cellulose sans hydrolyse des liaisons glycosidiques. L'absence quasi-totale d'hydrolyse de la cellulose est illustré par le fait que les fibres de cellulose acétylées obtenues selon l'invention ne comprennent pas de fraction extractible avec des solvants tels que le chloroforme ou l'acétone correspondant à de l'acétate de cellulose de plus faible DP et donc soluble dans ces solvants. This partial acylation of the cellulose fibers preserving the integrity of the cellulose molecules is based on the use of cellulose fibers having a large amorphous phase, the latter being more reactive than the crystalline phase. Acylation under mild reaction conditions is therefore limited to acylation of the amorphous regions of the fiber leading to partial acylation of the cellulose without hydrolysis of the glycosidic linkages. The almost total absence of hydrolysis of the cellulose is illustrated by the fact that the acetylated cellulose fibers obtained according to the invention do not comprise Extractable fraction with solvents such as chloroform or acetone corresponding to cellulose acetate of lower DP and thus soluble in these solvents.
Il a maintenant été trouvé dans la présente invention que ces fibres partiellement acylées ont une complémentarité exceptionnelle avec des matrices polymériques thermoplastiques constituées d'acyles de cellulose. Les matériaux composites ainsi obtenus peuvent être saponifiés totalement ou partiellement pour conduire à des matériaux thermostables.  It has now been found in the present invention that these partially acylated fibers have exceptional complementarity with thermoplastic polymeric matrices consisting of cellulose acyls. The composite materials thus obtained may be totally or partially saponified to lead to thermostable materials.
L'invention se rapporte donc à de nouveaux matériaux composites constitués de deux éléments présentant une complémentarité exceptionnelle :  The invention thus relates to new composite materials consisting of two elements having exceptional complementarity:
o Une structure de renfort fibreuse constituée par des fibres de cellulose dont la partie amorphe a été sélectivement acylée par des acides gras de faible poids moléculaire dans des conditions douces ne conduisant pas à l'hydrolyse des chaînes d'acyle de cellulose ainsi produites. Cette acylation sélective permet de réduire l'instabilité dimensionnelle des fibres de cellulose et de générer une forte densité de chaînes pendantes d'acyle de cellulose.  a fibrous reinforcement structure constituted by cellulose fibers whose amorphous part has been selectively acylated by low molecular weight fatty acids under mild conditions which do not lead to the hydrolysis of the cellulose acyl chains thus produced. This selective acylation makes it possible to reduce the dimensional instability of the cellulose fibers and to generate a high density of pendant cellulose acyl chains.
o Une matrice polymérique thermoplastique constituée par des matrices d'acyle de cellulose parfaitement solubles avec les chaînes d'acyle de cellulose présentes sur les fibres de cellulose.  A thermoplastic polymeric matrix consisting of perfectly soluble cellulose acyl matrices with the cellulose acyl chains present on the cellulose fibers.
Typiquement, Γ acylation est effectuée dans des conditions neutres permettant de préserver l'intégrité des liaisons glycosidiques des molécules de cellulose.  Typically, acylation is performed under neutral conditions to preserve the integrity of the glycosidic linkages of the cellulose molecules.
L'invention décrit également une variante de ces nouveaux matériaux composites où tout ou partie des groupes acyle a été éliminé par traitement alcalin pour conduire à un matériau thermostable.  The invention also describes a variant of these new composite materials where all or part of the acyl groups has been removed by alkaline treatment to produce a thermostable material.
L'invention se rapporte donc à des matériaux composites à base de cellulose comprenant :  The invention thus relates to composite materials based on cellulose comprising:
o Des fibres de cellulose comprenant des zones cristallines et au moins 20% de zones amorphes, au moins 80% de ces zones amorphes étant acylées par des acides gras de bas poids moléculaire choisis parmi l'acétate, le propionate, le butyrate et leurs mélanges;  cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones, at least 80% of these amorphous zones being acylated by low molecular weight fatty acids chosen from acetate, propionate and butyrate, and mixtures thereof; ;
o Une matrice polymérique thermoplastique compatible choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges.  a compatible thermoplastic polymer matrix chosen from cellulose acetates, cellulose proprionates, cellulose butyrates and cellulose acetate butyrates, and mixtures thereof.
Dans les matériaux de la présente invention, les fibres de cellulose sont partiellement acylées dans des conditions douces (conditions neutres) conduisant à l'acylation sélective des zones amorphes de la cellulose et ne s 'accompagnant pas d'une hydrolyse des liaisons glycosidiques de la cellulose.  In the materials of the present invention, the cellulose fibers are partially acylated under mild conditions (neutral conditions) leading to selective acylation of the amorphous areas of the cellulose and not accompanied by hydrolysis of the glycosidic linkages of the cellulose. cellulose.
Dans des modes de réalisation préférées, les zones amorphes de fibres de cellulose sont sélectivement acétylés. Dans les matériaux composites de la présente invention, les fibres de cellulose comprennent au moins 10, 20, 30 ou 40% de zones amorphes. Les fibres de cellulose ont donc un taux de cristallinité inférieur 90, 80, 70 ou 60%>. Les zones amorphes de la cellulose étant acylés à au moins 80%>, 85% ou 90%. Dans d'autres modes de réalisation, les zones amorphes de la cellulose sont totalement acylés. In preferred embodiments, the amorphous areas of cellulose fibers are selectively acetylated. In the composite materials of the present invention, the cellulose fibers comprise at least 10, 20, 30 or 40% amorphous areas. The cellulose fibers therefore have a degree of crystallinity of less than 90, 80, 70 or 60%. The amorphous areas of the cellulose being acylated to at least 80%>, 85% or 90%. In other embodiments, the amorphous areas of the cellulose are fully acylated.
Toutes les fibres papetières communes peuvent être utilisées dans les matériaux et les procédés de la présente invention.  All common papermaking fibers can be used in the materials and methods of the present invention.
Dans des modes de réalisation préférés, les fibres de cellulose choisies parmi les fibres de rayonne, d'abaca, de bambou, de chanvre, de coir, de noix de coco, de coton, provenant de la graine, de genêt, de spartier à tiges de jonc, de gucca, de jute, de kapok, de kennaf, de lin, de manille, d'ortie, de paille, de ramie, de raphia, de sisal ou de leurs mélanges.  In preferred embodiments, the cellulose fibers selected from rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, from seed, broom, cottons rods of rush, gucca, jute, kapok, kennaf, flax, manila, nettle, straw, ramie, raffia, sisal or their mixtures.
Dans des modes de réalisation préférés, les fibres de cellulose sont des fibres de rayonne et de lin.  In preferred embodiments, the cellulose fibers are rayon and linen fibers.
Dans les matériaux de la présente invention, les fibres de cellulose ont un taux d'acylation compris entre 10% et 50% en masse et de préférence compris entre 20% et 40%) en masse.  In the materials of the present invention, the cellulose fibers have an acylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
De préférence, les fibres de cellulose ont un taux d'acétylation compris entre 10%> et 50%) en masse et de préférence compris entre 20%> et 40%> en masse.  Preferably, the cellulose fibers have an acetylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
Dans des modes de réalisation avantageux, les fibres de cellulose mis en œuvre dans les matériaux de la présente invention sont des fibres de rayonne ayant un taux d'acylation, et de préférence d'acétylation, compris entre 20% et 40% en masse.  In advantageous embodiments, the cellulose fibers used in the materials of the present invention are rayon fibers having a level of acylation, and preferably acetylation, of between 20% and 40% by weight.
Le deuxième composant des matériaux est une matrice polymérique thermoplastique choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges.  The second component of the materials is a thermoplastic polymeric matrix selected from cellulose acetate, cellulose propionates, cellulose butyrates, cellulose acetate butyrates and mixtures thereof.
Par « matrice thermoplastique », on entend une matrice qui fond ou se ramollit sous l'effet de la chaleur. Typiquement, la température de fusion d'un matériau thermolplastique est inférieure à sa température de décomposition.  By "thermoplastic matrix" is meant a matrix that melts or softens under the effect of heat. Typically, the melting temperature of a thermolplastic material is lower than its decomposition temperature.
De préférence, les matrices thermoplastiques sont choisies parmi les matrices suivantes : le triacétate de cellulose, le diacétate de cellulose, le tripropionate de cellulose, l'acétobutyrate de cellulose (produit commercial CAB : 13,5% en masse d'acétate et 38% en masse de butyrate, rapport molaire environ 1 acétate pour 2 butyrates), le tributyrate de cellulose. Parmi les acétobutyrates de cellulose on citera en particulier le CAB comprenant 13,5% en masse d'acétate et 38% en masse de butyrate (rapport molaire environ 1 acétate pour 2 butyrates). Ce produit est disponible commercialement. Ces matrices thermoplastiques sont bien connues de l'homme du métier.  Preferably, the thermoplastic matrices are chosen from the following matrices: cellulose triacetate, cellulose diacetate, cellulose tripropionate, cellulose acetate butyrate (commercial product CAB: 13.5% by weight of acetate and 38% mass of butyrate, molar ratio approximately 1 acetate for 2 butyrates), cellulose tributyrate. Among the cellulose acetobutyrates, mention will be made in particular of CAB comprising 13.5% by weight of acetate and 38% by weight of butyrate (molar ratio of about 1 acetate for 2 butyrates). This product is commercially available. These thermoplastic matrices are well known to those skilled in the art.
Typiquement ces matrices thermoplastiques ont un DP suffisamment peu élevé pour être solubles dans les solvants organiques tels que l'acétone ou le chloroforme. Par une matrice « compatible », on entend une matrice soluble avec les chaînes d'acyle des fibres de cellulose partiellement acylées. Typically these thermoplastic matrices have a sufficiently low DP to be soluble in organic solvents such as acetone or chloroform. By a "compatible" matrix is meant a matrix that is soluble with the acyl chains of the partially acylated cellulose fibers.
Pour les fibres partiellement acylées avec des acétates, les matrices compatibles sont par exemple choisies parmi les triacétates et diacétate de cellulose.  For fibers partially acylated with acetates, the compatible matrices are for example chosen from triacetates and cellulose diacetate.
Pour les fibres partiellement acylées avec des propionates, les matrices compatibles sont par exemple choisies parmi les propionates de cellulose.  For partially acylated fibers with propionates, the compatible matrices are for example chosen from cellulose propionates.
Pour les fibres partiellement acylées avec des butyrates, les matrices compatibles sont par exemple choisies parmi les acétobutyrates de cellulose et le tributyrate de cellulose.  For partially acylated fibers with butyrates, the compatible matrices are for example chosen from cellulose acetate butyrate and cellulose tributyrate.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le matériau composite à base de cellulose comprend des fibres de rayonne ayant un taux d'acétylation compris entre 20% et 40%) en masse, de préférence entre 25% et 35% en masse et une matrice de triacétate de cellulose.  In one embodiment of the invention, the cellulose-based composite material comprises rayon fibers having a degree of acetylation of between 20% and 40% by weight, preferably between 25% and 35% by weight and a cellulose triacetate matrix.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau composite comprend des fibres de lin avec un taux d'acylation avec un mélange d'acétate et de butyrate (1 acétate pour 2 butyrates) compris entre 30 et 50% en masse et comme matrice un acétobutyrate et en particulier le CAB comprenant 13,5% en masse d'acétate et 38% en masse de butyrate.  In another embodiment of the invention, the composite material comprises flax fibers with an acylation level with a mixture of acetate and butyrate (1 acetate for 2 butyrates) of between 30 and 50% by weight and as matrix an acetobutyrate and in particular CAB comprising 13.5% by weight of acetate and 38% by weight of butyrate.
La compatibilité entre la matrice et la fibre permet de diminuer la quantité de matrice dans les matériaux composites de la présente invention.  The compatibility between the matrix and the fiber makes it possible to reduce the amount of matrix in the composite materials of the present invention.
De préférence, les matériaux composites comprennent de 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40% à 50% en poids de matrice thermoplastique. De préférence les matériaux composites selon l'invention comprennent moins de 50%, 40%, 30%, 20%, 10% ou moins de 5% en poids de matrice thermoplastique.  Preferably, the composite materials comprise 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40% to 50% by weight of thermoplastic matrix. Preferably the composite materials according to the invention comprise less than 50%, 40%, 30%, 20%, 10% or less than 5% by weight of thermoplastic matrix.
Les matériaux composites selon l'invention comprennent ainsi de 50%, 60%, 70%, The composite materials according to the invention thus comprise 50%, 60%, 70%,
80%), 90%) à 99%) en poids de fibres de cellulose. De préférence les matériaux selon l'invention comprennent plus de 50%, 60%, 70%, 80%, 90% ou plus de 95% de fibres de cellulose partiellement acylées. 80%), 90%) to 99% by weight of cellulose fibers. Preferably the materials according to the invention comprise more than 50%, 60%, 70%, 80%, 90% or more than 95% of partially acylated cellulose fibers.
L'invention se rapporte aussi à des matériaux composites tel que décrits ci-dessus partiellement ou totalement saponifiés. Cette saponification rend le matériau composite thermostable.  The invention also relates to composite materials as described above partially or totally saponified. This saponification makes the composite material thermostable.
L'invention a aussi pour objet des procédés de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose comprenant les étapes suivantes :  The invention also relates to processes for producing a cellulose-based composite material comprising the following steps:
o Acylation partielle de fibres de cellulose par des acides gras de bas poids moléculaire choisis parmi l'acétate, le propionate, le butyrate et leurs mélange, lesdites fibres de cellulose comprenant des zones cristallines et au moins 20% de zones amorphes, dans des conditions réactionnelles douces conduisant à l'acétylation d'au moins 80% des zones amorphes de la cellulose et ne conduisant pas à l'hydrolyse de la cellulose, Partial acylation of cellulose fibers by low molecular weight fatty acids selected from acetate, propionate, butyrate and mixtures thereof, said cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones, under conditions sweet reactionaries leading to the acetylation of at least 80% of the amorphous zones of the cellulose and not leading to the hydrolysis of the cellulose,
o Ajout d'une matrice polymérique thermoplastique compatible choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges,  o Adding a compatible thermoplastic polymeric matrix chosen from cellulose acetate, cellulose propionates, cellulose butyrates, cellulose acetobutyrates and mixtures thereof,
o Optionnellement, mise en forme du matériau composite obtenu à l'étape précédente par moulage à chaud, injection à chaud et/ou compression à chaud.  o Optionally, shaping the composite material obtained in the previous step by hot molding, hot injection and / or hot pressing.
Typiquement, l'acylation est effectuée dans des conditions neutres permettant de préserver l'intégrité des liaisons glycosidiques des molécules de cellulose. Seules les zones amorphes de la cellulose préalablement activées sont acylées à cette étape sans hydrolyser la cellulose.  Typically, the acylation is carried out under neutral conditions to preserve the integrity of the glycoside bonds of the cellulose molecules. Only the amorphous zones of the previously activated cellulose are acylated at this stage without hydrolyzing the cellulose.
La première étape des procédés selon l'invention est une étape d'acylation partielle des fibres de cellulose et de préférence une étape d'acétylation partielle des fibres de cellulose.  The first step of the processes according to the invention is a partial acylation step of the cellulose fibers and preferably a partial acetylation step of the cellulose fibers.
Dans un mode de réalisation préféré l'invention se rapporte à des procédés de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose comprenant les étapes suivantes :  In a preferred embodiment, the invention relates to processes for manufacturing a cellulose-based composite material comprising the following steps:
o Activation des fibres de cellulose par un traitement alcalin,  o Activation of cellulose fibers by an alkaline treatment,
o Mise en contact des fibres de cellulose traitées obtenues à l'étape précédente avec un agent d'acylation,  contacting the treated cellulose fibers obtained in the preceding step with an acylating agent,
o Ajout d'une matrice polymérique thermoplastique compatible choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges,  o Adding a compatible thermoplastic polymeric matrix chosen from cellulose acetate, cellulose propionates, cellulose butyrates, cellulose acetobutyrates and mixtures thereof,
o Optionnellement, mise en forme du matériau composite obtenu à l'étape précédente par moulage à chaud, injection à chaud et/ou compression à chaud.  o Optionally, shaping the composite material obtained in the previous step by hot molding, hot injection and / or hot pressing.
Les fibres de cellulose mises en œuvre dans les procédés de la présente invention possèdent une phase amorphe, de préférence cette zone ou phase amorphe représente au moins 10%, 20%, 30% ou 40% des fibres de cellulose.  The cellulose fibers used in the processes of the present invention have an amorphous phase, preferably this zone or amorphous phase represents at least 10%, 20%, 30% or 40% of the cellulose fibers.
Les fibres de cellulose obtenues ont un taux d'acylation compris entre 10%> et 50%> en masse et de préférence compris entre 20% et 40% en masse.  The cellulose fibers obtained have an acylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
De préférence, les fibres de cellulose obtenues ont un taux d'acétylation compris entre 10% et 50% en masse et de préférence compris entre 20% et 40% en masse.  Preferably, the cellulose fibers obtained have an acetylation level of between 10% and 50% by weight and preferably between 20% and 40% by weight.
L'acylation partielle des fibres de cellulose est réalisée dans des conditions douces - typiquement des conditions neutres - selon des techniques connues de l'homme du métier. L'acylation partielle des fibres de cellulose dans ces conditions conduit sélectivement à l'acylation des zones amorphes des fibres de cellulose sans hydrolyse de la cellulose.  The partial acylation of the cellulose fibers is carried out under mild conditions - typically neutral conditions - according to techniques known to those skilled in the art. Partial acylation of the cellulose fibers under these conditions leads selectively to the acylation of the amorphous zones of the cellulose fibers without hydrolysis of the cellulose.
En outre, l'acétylation partielle dans des conditions réactionnelles douces préserve l'intégrité des molécules de cellulose. L'acylation partielle des fibres de cellulose comprend une première étape d'activation des fibres de cellulose par un traitement alcalin. Ce traitement alcalin peut comprendre une imprégnation des fibres de cellulose avec une solution aqueuse alcaline d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium. Alternativement, ce traitement alcalin peut comprendre une imprégnation des fibres de cellulose avec de l'acétate de potassium ou de l'acétate de sodium. In addition, partial acetylation under mild reaction conditions preserves the integrity of the cellulose molecules. The partial acylation of the cellulose fibers comprises a first step of activating the cellulose fibers by an alkaline treatment. This alkaline treatment may include impregnating the cellulose fibers with an aqueous alkaline solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide. Alternatively, this alkaline treatment may comprise impregnation of the cellulose fibers with potassium acetate or sodium acetate.
Cette activation est typiquement réalisée par immersion ou imprégnation des fibres avec une solution d'acétate de potassium ayant une concentration de 20% (g/g) à 60°C- 80°C.  This activation is typically performed by dipping or impregnating the fibers with a potassium acetate solution having a concentration of 20% (g / g) at 60 ° C-80 ° C.
Après le traitement alcalin, les fibres sont habituellement essorées et séchées selon des techniques habituelles.  After the alkaline treatment, the fibers are usually dewatered and dried according to usual techniques.
L'acylation s'effectue par mise en contact des fibres activées avec un agent d'acylation choisi de préférence parmi l'anhydride acétique, l'anhydride butyrique, l'anhydride propionique, les anhydrides mixtes, le chlorure d'acide acétique, le chlorure d'acide propionique, le chlorure d'acide butyrique, les acétates activés, les propionates activés, les butyrates activés et leurs mélanges.  The acylation is carried out by contacting the activated fibers with an acylating agent preferably chosen from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride, butyric acid chloride, activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
Cette mise en contact est effectuée dans des conditions neutres et plus particulièrement à des conditions ioniquement neutres. Des catalyseurs tels que les acides forts ne sont pas employés à cette étape.  This bringing into contact is carried out under neutral conditions and more particularly at ionically neutral conditions. Catalysts such as strong acids are not used at this stage.
Cette étape comprend par exemple une immersion des fibres préalablement activés dans de l'anhydride acétique chauffé à 100°C pendant un temps variable compris entre quelques minutes et quelques heures. Le taux d'acétylation étant alors variable en fonction du temps de réaction. Après la réaction, les fibres partiellement acétylées sont en général lavées puis séchées.  This step comprises, for example, immersing the previously activated fibers in acetic anhydride heated at 100 ° C. for a variable time ranging from a few minutes to a few hours. The acetylation rate then varies according to the reaction time. After the reaction, the partially acetylated fibers are generally washed and dried.
De préférence, les fibres de cellulose sont des fibres de rayonne et leur taux d'acétylation est compris entre 25 et 35% en masse.  Preferably, the cellulose fibers are rayon fibers and their degree of acetylation is between 25 and 35% by weight.
Pour obtenir les matériaux composites selon l'invention, une matrice thermoplastique compatible est ajoutée aux fibres. Ces matrices thermoplastiques à base de cellulose sont décrites ci-dessus.  To obtain the composite materials according to the invention, a compatible thermoplastic matrix is added to the fibers. These thermoplastic matrices based on cellulose are described above.
Cette étape comprend de préférence, une immersion des fibres de cellulose sous forme de fils tressés dans la matrice suivie d'un séchage des fibres.  This step preferably comprises immersing the cellulose fibers in the form of braided yarns in the matrix followed by drying the fibers.
De préférence, des fibres acétylées sous forme de fils tressés sont immergés dans une solution de triacétate (par exemple une solution à 5% dans du chloroforme). Après incubation, les fibres sont enlevées, l'excès de solution est éliminé et les fils sont séchés. Les fils obtenus sont beaucoup plus rigides du fait de la cohésion entre les fibres apportée par l'acétate de cellulose.  Preferably, acetylated fibers in the form of braided yarns are immersed in a triacetate solution (for example a 5% solution in chloroform). After incubation, the fibers are removed, excess solution is removed and the threads are dried. The son obtained are much more rigid because of the cohesion between the fibers provided by the cellulose acetate.
Dans un autre mode de réalisation, cette étape comprend une dispersion des fibres de cellulose dans la matrice. Dans un mode de réalisation préféré, des fibres partiellement acétylées sont dispersées dans une solution de triacétate de cellulose (solution de triacétate de cellulose à 2% dans du chloroforme par exemple). Après évaporation, on obtient des films d'acétate de cellulose contenant des fibres de renfort. In another embodiment, this step comprises dispersing the cellulose fibers in the matrix. In a preferred embodiment, partially acetylated fibers are dispersed in a solution of cellulose triacetate (2% cellulose triacetate solution in chloroform, for example). After evaporation, cellulose acetate films containing reinforcing fibers are obtained.
Dans des modes de réalisation avantageux, les fibres de cellulose sont des fibres de rayonne partiellement acétylées et la matrice polymérique thermoplastique est du triacétate de cellulose.  In advantageous embodiments, the cellulose fibers are partially acetylated rayon fibers and the thermoplastic polymeric matrix is cellulose triacetate.
De préférence, les procédés selon l'invention comprennent l'ajout de 1% à 50% en poids de matrice thermoplastique par rapport au poids des fibres de cellulose et de préférence l'ajout de moins de 50%, 40%>, 30%>, 20%>, 10%> ou moins de 5% en poids de matrice thermoplastique.  Preferably, the processes according to the invention comprise the addition of 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix relative to the weight of the cellulose fibers and preferably the addition of less than 50%, 40%,> 30% >, 20%>, 10%> or less than 5% by weight of thermoplastic matrix.
Les matériaux composites obtenus se distinguent par des propriétés mécaniques améliorées (mesuré par le Module de Young) et par une diminution de la prise en eau (sensibilité à l'eau).  The composite materials obtained are distinguished by improved mechanical properties (measured by the Young's Modulus) and a decrease in water intake (water sensitivity).
L'invention se rapporte également à un procédé de recyclage d'un matériau composite thermoplastique à base de cellulose dans lequel le matériau est soumis à une acétylation complète en présence d'un acide fort.  The invention also relates to a process for recycling a cellulose-based thermoplastic composite material in which the material is subjected to complete acetylation in the presence of a strong acid.
Les matériaux composite cellulose-acétate de cellulose ont un faible potentiel de biodégradation mais peuvent être entièrement recyclés. Contrairement aux autres matériaux composites nécessitant une séparation de leurs composants comme préalable à leur recyclage, les matériaux composites cellulose-matrice thermoplastique selon la présente invention sont directement et entièrement recyclables notamment par acylation complète du matériau composite. Deux voies de recyclage sont envisageables : la régénération (traitement alcalin) quand tous les groupes acyle sont éliminés et l'acétate de cellulose du matériau composite est transformé en cellulose ou Γ acétylation non fibreuse quand la cellulose du matériau composite est complètement transformée en triacétate de cellulose et les fibres perdent leur aspect fibreux.  Cellulose acetate-cellulose composite materials have low potential for biodegradation but can be fully recycled. Unlike other composite materials requiring a separation of their components as a prerequisite for recycling, thermoplastic cellulose-matrix composite materials according to the present invention are directly and fully recyclable including complete acylation of the composite material. Two recycling paths are conceivable: regeneration (alkaline treatment) when all the acyl groups are removed and the cellulose acetate of the composite material is converted into cellulose or nonfibrous acetylation when the cellulose of the composite material is completely transformed into triacetate of cellulose and fibers lose their fibrous appearance.
Par exemple, un composite cellulose-acétate de cellulose selon l'invention peut être directement transformée en acétate de cellulose dans les chaînes industrielles d'acétylation classique de la cellulose, qui mettent en œuvre des conditions d'acylation dites non-fibreuses ou homogènes. Celles-ci utilisent un acide fort comme catalyseur tel que l'acide sulfurique ou l'acide perchlorique et comprennent deux étapes : le prétraitement pendant lequel le matériau composite, l'acide acétique et le catalyseur sont intimement mélangés avant l'ajout du réactif d'acétylation (l'anhydride acétique, par exemple) et le traitement proprement dit, quand le matériau réagit avec le réactif ajouté au milieu réactionnel. Lors de la réaction, la cellulose du matériau composite est transformée en acétate de cellulose qui est soluble dans le milieu réactionnel. L'acétate formé est ensuite récupéré par fîltration, après sa précipitation suite à l'ajout au mélange d'une solution aqueuse d'acide acétique. De telles méthodes d'acylation de la cellulose existent depuis long temps et sont bien décrites dans la littérature (Malm et al, (1946), Sassi and Chanzy (1995)). Plus récemment, Barud et al. (2008), en suivant le protocole utilisé par Sassi and Chanzy (1995), ont acétylé la cellulose bactérienne et ils ont obtenu, pour des temps de réaction qui allaient de 0,5 h à 24h, des degrés de substitution de 2,3 à 2.77. For example, a cellulose-cellulose acetate composite according to the invention can be directly converted into cellulose acetate in conventional industrial cellulose acetylation chains, which implement so-called non-fibrous or homogeneous acylation conditions. These use a strong acid as a catalyst such as sulfuric acid or perchloric acid and comprise two steps: the pretreatment during which the composite material, acetic acid and catalyst are intimately mixed before adding the reagent. acetylation (acetic anhydride, for example) and the actual treatment, when the material reacts with the reagent added to the reaction medium. During the reaction, the cellulose of the composite material is converted into cellulose acetate which is soluble in the reaction medium. The acetate formed is then recovered by filtration, after its precipitation following the addition to the mixture of a aqueous solution of acetic acid. Such methods of acylation of cellulose have existed for a long time and are well described in the literature (Malm et al., (1946), Sassi and Chanzy (1995)). More recently, Barud et al. (2008), following the protocol used by Sassi and Chanzy (1995), acetylated bacterial cellulose and obtained, for reaction times ranging from 0.5 h to 24h, 2,3 degrees of substitution. at 2.77.
Malm et al. (1946) décrivent bien un protocole d'acétylation non fibreuse qui utilise comme catalyseur l'acide sulfurique. D'après eux, 5-10% d'acide sulfurique par rapport à la cellulose est suffisant pour achever l'acétylation (43-44% d'acétyl) dans 1-3 h à 16- 38°C. Ainsi, une part de cellulose (à 5%> d'humidité) est ajoutée à 2,4 parts d'acide acétique glacial et le mélange est agité pendant 1 heure à 38°C. Ensuite, 4 parts d'acide acétique glacial et 0,88%> d'acide sulfurique (par rapport à la cellulose) sont ajoutés et le mélange est agité à la même température pour encore 45 minutes, avant qu'il soit refroidit à 18°C. Après ceci, 2,7 parts d'anhydride acétique et le reste de 6,12% d'acide sulfurique sont ajoutés. La température est ensuite graduellement augmentée jusqu'à 32-35°C pendant 1 ,5 à 2 heures. A ce stade de la réaction, la cellulose n'a plus de structure fibreuse. Un mélange d'une part d'eau et deux parts d'acide acétique glacial est ensuite ajouté au milieu réactionnel pendant une heure, afin de précipiter l'acétate de cellulose formé qui, est récupéré ultérieurement par fîltration et puis séché.  Malm et al. (1946) describe a nonfibrous acetylation protocol that uses sulfuric acid as a catalyst. According to them, 5-10% sulfuric acid relative to the cellulose is sufficient to complete the acetylation (43-44% acetyl) in 1-3 h at 16-38 ° C. Thus, one part cellulose (5%> humidity) is added to 2.4 parts of glacial acetic acid and the mixture is stirred for 1 hour at 38 ° C. Then 4 parts of glacial acetic acid and 0.88% of sulfuric acid (relative to the cellulose) are added and the mixture is stirred at the same temperature for another 45 minutes, before it is cooled to 18 ° C. ° C. After this, 2.7 parts of acetic anhydride and the remainder of 6.12% of sulfuric acid are added. The temperature is then gradually increased to 32-35 ° C for 1.5 to 2 hours. At this stage of the reaction, the cellulose no longer has a fibrous structure. A mixture of one part of water and two parts of glacial acetic acid is then added to the reaction medium for one hour, in order to precipitate the formed cellulose acetate which is subsequently recovered by filtration and then dried.
Ces procédés bien connus d'acylation de la cellulose permettent donc de recycler directement et dans leur totalité les matériaux composites selon l'invention sans avoir recours à une séparation préalable des composants du matériau composite.  These well-known methods of acylation of cellulose thus make it possible to directly and completely recycle the composite materials according to the invention without having recourse to a prior separation of the components of the composite material.
Afin d'obtenir des matériaux aux propriétés mécaniques améliorées et thermostables, les procédés selon l'invention peuvent en outre comprendre une étape de saponification partielle ou totale du matériau composite décrit ci-dessus. Cette saponification est réalisée selon des techniques habituelles bien connues de l'homme du métier.  In order to obtain materials with improved mechanical and heat-stable properties, the processes according to the invention may further comprise a step of partial or total saponification of the composite material described above. This saponification is carried out according to usual techniques well known to those skilled in the art.
De préférence, la saponification comprend le traitement du matériau avec une solution d'hydroxyde de sodium suivi du lavage et du séchage du matériau.  Preferably, the saponification comprises treating the material with sodium hydroxide solution followed by washing and drying the material.
Typiquement, les matériaux obtenus sont placés dans une solution d'hydroxyde de sodium à 0,5 N pendant 24h à température ambiante. Les matériaux résultants sont ensuite lavés et séchés.  Typically, the materials obtained are placed in a 0.5 N sodium hydroxide solution for 24 hours at room temperature. The resulting materials are then washed and dried.
L'invention a également pour objet les matériaux composites thermoplastiques susceptibles d'être obtenus par les procédés selon l'invention ainsi que les matériaux composites thermostables à base de cellulose susceptibles d'être obtenu par les procédés selon l'invention. FIGURES The subject of the invention is also the thermoplastic composite materials obtainable by the processes according to the invention as well as the thermostable composite materials based on cellulose that can be obtained by the processes according to the invention. FIGURES
Figure 1 : Acétylation sélective des zones amorphes des fibres de cellulose et formation du composite avec de l'acétate de cellulose exogène Figure 1: Selective acetylation of the amorphous zones of cellulose fibers and formation of the composite with exogenous cellulose acetate
Figure 2 : Traitement alcalin des composites Fibres de cellulose partiellement acétylées/ acétate de cellulose pour donner un composite cellulose/cellulose Figure 2: Alkaline treatment of composites Partially acetylated cellulose fibers / cellulose acetate to give a cellulose / cellulose composite
EXEMPLES Exemple 1 : Acétylation des fibres de cellulose par la méthode à l'acétate de potassium EXAMPLES Example 1 Acetylation of Cellulose Fibers Using the Potassium Acetate Method
Les fibres de cellulose sont immergées dans une solution d'acétate de potassium à 60- 80°C, ayant une concentration de 20% (g/g), pendant 20 minutes. Les fibres activées sont essorées et séchées à 80°C pendant 2h30. Ensuite, elles sont immergées dans de l'anhydride acétique qui est chauffé à 100°C pendant 20, 40, 80 ou 160 minutes. Après réaction, les fibres sont lavées avec de l'eau chaude et de l'acétone, puis séchées à 105°C pendant 24h. Le taux d'acétylation est déterminé par pesée avant et après l'acétylation selon la formule suivante : The cellulose fibers are immersed in a potassium acetate solution at 60-80 ° C, having a concentration of 20% (g / g), for 20 minutes. The activated fibers are dewatered and dried at 80 ° C for 2h30. Then, they are immersed in acetic anhydride which is heated at 100 ° C for 20, 40, 80 or 160 minutes. After reaction, the fibers are washed with hot water and acetone, and then dried at 105 ° C for 24 hours. The acetylation rate is determined by weighing before and after the acetylation according to the following formula:
% acétate = ((m2- mi)/m2)* 100 (1) où : % acetate = ((m 2 - mi) / m 2 ) * 100 (1) where:
- mi représente la masse des fibres de rayonne avant l'acétylation, en grammes,  - mi represents the mass of the rayon fibers before acetylation, in grams,
- m2 représente la masse des fibres de rayonne après l'acétylation, en grammes. m 2 represents the mass of the rayon fibers after the acetylation, in grams.
Les résultats sont présentés dans le tableau 1. The results are shown in Table 1.
Temps Fibres de rayonne Time Rayon Fibers
(min) Taux d'acétate(%)  (min) Acetate level (%)
20 25  20 25
40 27  40 27
80 28  80 28
160 34  160 34
Tableau 1 : Taux d'acétate des matériaux cellulosiques en fonction du temps d'acétylation Table 1: Acetate levels of cellulosic materials as a function of acetylation time
Le taux d'acétate est variable selon le temps de la réaction. La valeur maximale correspond à l'acétylation de la totalité du domaine amorphe des fibres de cellulose. Exemple 2 : Lavage des fibres acétylées avec du chloroforme The acetate level is variable depending on the reaction time. The maximum value corresponds to the acetylation of the entire amorphous domain of the cellulose fibers. Example 2 Washing Acetylated Fibers with Chloroform
Les fibres acétylées préparées précédemment sont lavées au Socksley de façon exhaustive pendant 24h avec du chloroforme. Les fibres acétylées sont pesées avant et après lavage. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant en fonction du temps d'acétylation. The previously prepared acetylated fibers are exhaustively washed with Socksley for 24 hours with chloroform. Acetylated fibers are weighed before and after washing. The results are presented in the following table according to the acetylation time.
Temps Acétate Acetate time
(min) extractible (%)  (min) extractable (%)
20 0  20 0
160 4  160 4
Tableau 2 : Acétate extractible déterminé pour des fibres de rayonne acétylées Les résultats indiquent que même avec le taux d'acétylation maximum, la quantité d'acétate de cellulose extractible est très faible. Table 2: Extractable Acetate Determined for Acetylated Rayon Fibers The results indicate that even with the maximum acetylation rate, the amount of extractable cellulose acetate is very small.
Les fibres lavées par le chloroforme ont été analysées par Spectrométrie IR en transmission. Les spectres des fibres acétylées après et avant lavage au chloroforme présentent une bande ester caractéristique à 1735 cm-1 si sont superposables. The fibers washed with chloroform were analyzed by transmission IR spectrometry. The spectra of the acetylated fibers after and before washing with chloroform have a characteristic ester band at 1735 cm -1 if they are stackable.
Exemple 3 : Réalisation des composites Fibres acétylées/ acétate de cellulose Example 3 Production of Composites Acetylated Fibers / Cellulose Acetate
Les fibres acétylées sous forme de fïls tressés sont immergés dans une solution de triacétate de cellulose à 5% dans du chloroforme. Après incubation pendant une heure, les fibres imprégnées sont enlevées, l'excès de solution est éliminé et les fils sont séchés à température ambiante. Les fils obtenus sont beaucoup plus rigides du fait de la cohésion entre les fibres apportée par l'acétate de cellulose. Des échantillons témoins sont préparés avec des fils non acétylés. The acetylated fibers in the form of braided fibers are immersed in a solution of 5% cellulose triacetate in chloroform. After incubation for one hour, the impregnated fibers are removed, the excess solution is removed and the yarns are dried at room temperature. The son obtained are much more rigid because of the cohesion between the fibers provided by the cellulose acetate. Control samples are prepared with nonacetylated threads.
Exemple 4 : Réalisation de composites Fibres acétylées compressées EXAMPLE 4 Production of Composites Acetylated Compressed Fibers
Les fibres acétylées sous forme de fils tressés avec le taux d'acétylation de 38% le plus élevé sont comprimées sous 60 bars avec une presse à haute température (250°). On observe une agrégation très nette entre les fibres traduisant la coalescence entre les domaines acétate de cellulose des fibres. Exemple 5 : Préparation films acétate de cellulose-fibres de rayonne The acetylated fibers in the form of braided yarns with the highest 38% acetylation level are compressed at 60 bar with a high temperature press (250 °). There is a very clear aggregation between the fibers reflecting the coalescence between the cellulose acetate domains of the fibers. EXAMPLE 5 Preparation of Cellulose Acetate Films-Rayon Fibers
Des films de triacétate de cellulose contenant des fibres de rayonne ont été obtenus pas la dispersion d'environ 3mg de fibres de rayonne vierge ou acétylées dans 1,5 ml d'une solution de TAC dans le chloroforme à 2%. Après évaporation, on obtient des films d'acétate de cellulose contenant les fibres. Cellulose triacetate films containing rayon fibers were obtained by dispersing about 3 mg of virgin or acetylated rayon fibers in 1.5 ml of a TAC solution in 2% chloroform. After evaporation, cellulose acetate films containing the fibers are obtained.
Les échantillons préparés ont été analysés par microscopie optique. Les résultats obtenus indiquent que les fibres de rayonne native ne sont pas du tout dispersées dans l'acétate de cellulose où elles se présentent sous forme d'amas de fibres enchevêtrées. Au contraire, les fibres acétylées sont capables de se disperser dans cette matrice d'acétate de cellulose, allant même jusqu'à sembler se fondre dans cette dernière. Il ne s'agit pourtant que d'une illusion d'optique car une extraction de la matrice d'acétate de cellulose par du chloroforme redonne bien les fibres de départ. L'analyse des faciès de la tranche du composite, fibres acétylées/acétate de cellulose, en microscopie électronique permet de confirmer la bonne qualité de l'interface fibre matrice. The prepared samples were analyzed by light microscopy. The results obtained indicate that native rayon fibers are not dispersed at all in cellulose acetate where they are in the form of entangled fiber clusters. On the contrary, the acetylated fibers are capable of dispersing in this matrix of cellulose acetate, even going as far as to melt in the latter. However, this is only an optical illusion because an extraction of the cellulose acetate matrix with chloroform restores the starting fibers. The facies analysis of the composite wafer, acetylated fibers / cellulose acetate, in electron microscopy confirms the good quality of the fiber matrix interface.
Exemple 6 : Obtention de composites cellulose/ cellulose par saponification des composites fibres acétylées/ acétate de cellulose EXAMPLE 6 Preparation of Cellulose / Cellulose Composites by Saponification of Acetylated Fibers / Cellulose Acetate Composites
Les composites fibres acétylés/ acétate de cellulose précédemment obtenus dans l'exemple 3 sont placés dans une solution de NaOH à 0,5 N pendant 24h à température ambiante. Les composites résultants sont ensuite lavés avec de l'eau distillée et séchés à 105°C pendant 24h. The acetylated fiber / cellulose acetate composites previously obtained in Example 3 are placed in a 0.5 N NaOH solution for 24 hours at room temperature. The resulting composites are then washed with distilled water and dried at 105 ° C for 24 hours.
Exemple 7 : Analyse par microscopie électronique Example 7 Analysis by Electron Microscopy
Les résultats obtenus par microscopie électronique mettent bien en évidence la cohésion entre les fibres acétylées et l'acétate de cellulose. Par comparaison, les fibres non acétylées présentent très peu de cohésion avec l'acétate de cellulose. Les résultats sont encore plus marquants après saponification par cryofracture ou après étirement mécanique. On voit bien l'importance de la cohésion apportée par l'acétylation des fibres puis par la co-cristallisation des zones acétate de cellulose. Exemple 8 : Amélioration des propriétés mécaniques thermoplastiques et thermostable The results obtained by electron microscopy clearly demonstrate the cohesion between the acetylated fibers and the cellulose acetate. By comparison, nonacetylated fibers have very little cohesion with cellulose acetate. The results are even more remarkable after saponification by cryofracture or after mechanical stretching. We can clearly see the importance of the cohesion provided by the acetylation of the fibers and then by the co-crystallization of the cellulose acetate zones. Example 8 Improvement of the Thermoplastic and Thermostable Mechanical Properties
Le module d'Young a été déterminé pour différents échantillons. L'acétylation des fibres permet d'améliorer la valeur du module d'Young aussi au niveau des composites fibres acétylées/acétate de cellulose qu'au niveau des composites cellulose/cellulose. Young's modulus was determined for different samples. The acetylation of the fibers makes it possible to improve the value of the Young's modulus also at the level of the acetylated fiber / cellulose acetate composites as at the level of the cellulose / cellulose composites.
Temps d'acétylation des fibres - 160min  Fibers acetylation time - 160min
FNATAC = fibres non acétylées + triacétate de cellulose  FNATAC = non acetylated fibers + cellulose triacetate
FATAC = fibres acétylées + triacétate de cellulose  FATAC = acetylated fibers + cellulose triacetate
FNATACR = fibres non acétylées + triacétate de cellulose après la régénération à la soude FATACR = fibres acétylées + triacétate de cellulose après la régénération à la soude  FNATACR = non-acetylated fibers + cellulose triacetate after regeneration with sodium hydroxide FATACR = acetylated fibers + cellulose triacetate after regeneration with sodium hydroxide
Exemple 9 : Diminution de la prise en eau des fibres après acétylation partielle temps d'immersion = 19 h, ensuite pressage avec un cylindre de 2 kg Example 9: Decrease of the water uptake of the fibers after partial acetylation immersion time = 19 h, then pressing with a 2 kg cylinder
Ces mesures sont peu précises mais la diminution de la sensibilité à l'eau induit l'acétylation est très nette. REFERENCES These measurements are not very precise but the decrease of the sensitivity to water induces the acetylation is very clear. REFERENCES
Références brevet  Patent references
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Barud et al., 2008, Thermochimica Acta 471, 61-69  Barud et al., 2008, Thermochimica Acta 471, 61-69

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : Process for the production of a cellulose-based composite material characterized in that it comprises the following steps:
a) Mise à disposition de fibres de cellulose comprenant des zones cristallines et au moins 20% de zones amorphes,  a) provision of cellulose fibers comprising crystalline zones and at least 20% of amorphous zones,
b) Activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin,  b) Activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment,
c) Acylation sélective des zones amorphes des fibres de cellulose par des acides gras de bas poids moléculaire choisis parmi l'acétate, le propionate, le butyrate et leurs mélanges, dans des conditions préservant les liaisons glycosidiques de la cellulose, jusqu'à l'obtention de fibres de cellulose ayant un taux d'acylation compris entre 10%-50% en masse,  c) Selective acylation of the amorphous zones of the cellulose fibers by low molecular weight fatty acids selected from acetate, propionate, butyrate and mixtures thereof, under conditions preserving the glycosidic bonds of the cellulose, up to obtaining cellulose fibers having an acylation level of between 10% and 50% by weight,
d) Ajout d'une matrice polymérique thermoplastique choisie parmi les acétates de cellulose, les proprionates de cellulose, les butyrates de cellulose, les acétobutyrates de cellulose et leurs mélanges,  d) Adding a thermoplastic polymeric matrix chosen from cellulose acetates, cellulose proprionates, cellulose butyrates, cellulose acetobutyrates and mixtures thereof,
e) Optionnellement, mise en forme du matériau composite obtenu à l'étape précédente par moulage à chaud, injection à chaud et/ou compression à chaud.  e) Optionally, shaping the composite material obtained in the previous step by hot molding, hot injection and / or hot pressing.
Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin est effectuée avec une solution aqueuse alcaline d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium.  Process for producing a cellulose-based composite material according to Claim 1, characterized in that the activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out with an aqueous alkaline solution of sodium hydroxide or hydroxide of potassium.
Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'activation des zones amorphes des fibres de cellulose par un traitement alcalin est effectuée avec de l'acétate de potassium ou de l'acétate de sodium.  Process for producing a cellulose-based composite material according to Claim 1, characterized in that the activation of the amorphous zones of the cellulose fibers by an alkaline treatment is carried out with potassium acetate or sodium acetate .
Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que Γ acylation des zones amorphes des fibres de cellulose comprend la mise en contact des fibres de cellulose avec un agent d'acylation dans des conditions neutres.  Process for producing a cellulose-based composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the acylation of the amorphous zones of the cellulose fibers comprises contacting the cellulose fibers with an acylating agent under conditions neutral.
Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications 3-4 caractérisé en ce que l'agent d'acylation est choisi parmi l'anhydride acétique, l'anhydride butyrique, l'anhydride propionique, les anhydrides mixtes, le chlorure d'acide acétique, le chlorure d'acide propionique, le chlorure d'acide butyrique, les acétates activés, les propionates activés, les butyrates activés et leurs mélanges. Process for the production of a cellulose-based composite material according to one of claims 3-4, characterized in that the acylating agent is chosen from acetic anhydride, butyric anhydride, propionic anhydride, mixed anhydrides, acetic acid chloride, propionic acid chloride, butyric acid chloride, activated acetates, activated propionates, activated butyrates and mixtures thereof.
6. Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape d) comprend l'ajout de 1% à 50% en poids de matrice thermoplastique par rapport au poids des fibres de cellulose.  6. A method of manufacturing a composite material based on cellulose according to one of the preceding claims characterized in that step d) comprises the addition of 1% to 50% by weight of thermoplastic matrix relative to the weight of cellulose fibers.
7. Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications 1-5 caractérisé en ce que l'étape d) comprend une immersion des fibres de cellulose sous forme de fils tressés dans la matrice suivie d'un séchage des fibres.  7. A method of manufacturing a composite material based on cellulose according to one of claims 1-5 characterized in that step d) comprises immersing the cellulose fibers in the form of braided son in the matrix followed by drying the fibers.
8. Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications 1-6 caractérisé en ce que l'étape d) comprend la dispersion des fibres de cellulose dans la matrice thermolastique.  8. A method of manufacturing a composite material based on cellulose according to one of claims 1-6 characterized in that step d) comprises dispersing the cellulose fibers in the thermolastic matrix.
9. Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres de cellulose sont choisies parmi les fibres de rayonne, d'abaca, de bambou, de chanvre, de coir, de noix de coco, de coton, provenant de la graine, de genêt, de spartier à tiges de jonc, de gucca, de jute, de kapok, de kennaf, de lin, de manille, d'ortie, de paille, de ramie, de raphia ou de sisal ou de leurs mélanges.  9. A method of manufacturing a composite material based on cellulose according to one of the preceding claims characterized in that the cellulose fibers are selected from the fibers of rayon, abaca, bamboo, hemp, coir, coconut, cotton, from seed, broom, cedar stick, gucca, jute, kapok, kennaf, linen, shackle, nettle, straw, ramie , raffia or sisal or their mixtures.
10. Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres de cellulose sont des fibres de rayonne et la matrice polymérique thermoplastique est du triacétate de cellulose. 10. A method of manufacturing a composite material based on cellulose according to one of the preceding claims characterized in that the cellulose fibers are rayon fibers and the thermoplastic polymer matrix is cellulose triacetate.
11. Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de saponification partielle ou totale du matériau composite à base de cellulose obtenu à l'étape d) ou à l'étape e).  11. A method of manufacturing a composite material based on cellulose according to one of the preceding claims characterized in that it further comprises a partial saponification step or total cellulose composite material obtained in step d ) or step e).
12. Procédé de fabrication d'un matériau composite à base de cellulose selon la revendication 13 caractérisé en ce que la saponification comprend le traitement du matériau avec une solution d'hydroxyde de sodium suivi du lavage et du séchage du matériau.  12. A method of manufacturing a composite material based on cellulose according to claim 13 characterized in that the saponification comprises the treatment of the material with a sodium hydroxide solution followed by washing and drying the material.
13. Matériau composite thermoplastique à base de cellulose susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1-10. 13. Thermoplastic composite material based on cellulose obtainable by the method according to one of claims 1-10.
14. Procédé de recyclage d'un matériau composite selon la revendication 13 caractérisé en ce que le matériau est soumis à une acétylation complète en présence d'un acide fort. 14. A method of recycling a composite material according to claim 13 characterized in that the material is subjected to a complete acetylation in the presence of a strong acid.
15. Matériau composite thermostable à base de cellulose susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une des revendications 11-12.  15. thermostable composite material based on cellulose obtainable by the method according to one of claims 11-12.
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