EP3464107A1 - Procede de fixation - Google Patents

Procede de fixation

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Publication number
EP3464107A1
EP3464107A1 EP17732518.0A EP17732518A EP3464107A1 EP 3464107 A1 EP3464107 A1 EP 3464107A1 EP 17732518 A EP17732518 A EP 17732518A EP 3464107 A1 EP3464107 A1 EP 3464107A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nanocellulose
layer
cellulose
deposited
nanocrystals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17732518.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Julien BRAS
Didier Imbault
Barthélémy HARTHONG
Robert PEYROUX
Arnaud REGAZZI
Laura CROWTHER-ALWYN
David Guerin
Jérémie VIGUIE
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.)
Institut Polytechnique de Grenoble
Centre Technique de lIndustrie des Papiers Cartons et Celluloses
Original Assignee
Institut Polytechnique de Grenoble
Centre Technique de lIndustrie des Papiers Cartons et Celluloses
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut Polytechnique de Grenoble, Centre Technique de lIndustrie des Papiers Cartons et Celluloses filed Critical Institut Polytechnique de Grenoble
Publication of EP3464107A1 publication Critical patent/EP3464107A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present application relates to a method of fixing surfaces to one another, in particular surfaces of objects of paper or cardboard, and the system obtained by such a method.
  • Paper and paperboard are products that can be used as packaging with a recycling rate higher than 70% in Europe.
  • packaging is usually assembled and heat-sealed or glued with polymers, such as polyethylene-based films or coated compositions, which can make paper and paperboard recycling processes more complex and compromise end-of-life as a biodegradable or compostable package.
  • An object of an embodiment is to overcome all or part of the disadvantages of the methods for fixing surfaces to each other and the systems thus obtained described above.
  • Another object of an embodiment is that the products used for fixing the surfaces are of natural origin and biodegradable.
  • Another object of an embodiment is that the products used for fixing the surfaces are easily recyclable.
  • Another object of an embodiment is that the fixing method can be implemented on an industrial scale.
  • an embodiment provides a system comprising a first surface and a second surface, a first area where the first surface is attached to the second surface and a second area around the first area where the first surface is not attached to the second surface, the first zone comprising a first nanocellulose layer attached to the first surface, the first nanocellulose layer being in contact with the second surface and fixed to the second surface, the second surface containing cellulose, or being in contact with a second nanocellulose layer and attached to the second nanocellulose layer, the second nanocellulose layer being attached to the second surface.
  • the nanocellulose comprises at least 80% by weight of cellulose nanocrystals, optionally functionalized on the surface, fibrillated cellulose, optionally functionalized on the surface, or a mixture of cellulose nanocrystals and fibrillated cellulose, optionally functionalized. surface.
  • the nanocellulose comprises at least 80% by weight of cellulose nanocrystals, optionally functionalized at the surface.
  • the first nanocellulose layer has a thickness of between 0.5 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • the first surface belongs to a first object and the second surface belongs to a second object, the first object and / or the second object containing cellulose.
  • At least one of the first object and the second object is a paper sheet or a cardboard plate.
  • first layer of nanocellulose attaching the first layer of nanocellulose to the second surface, the second surface containing cellulose, or the second layer of nanocellulose, resulting in a first area comprising the first layer of nanocellulose where the first surface is attached to the second surface and a second area around the first area where the first surface is not attached to the second surface.
  • the nanocellulose comprises at least 80% by weight of cellulose nanocrystals, fibrillated cellulose or a mixture of cellulose nanocrystals and fibrillated cellulose.
  • the nanocellulose comprises at least 80% by weight of cellulose nanocrystals.
  • the attachment of the first nanocellulose layer to the second surface or the second nanocellulose layer comprises an ultrasonic welding step.
  • the first nanocellulose layer has a thickness of between 0.5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the first surface belongs to a first object and the second surface belongs to a second object, the first object and / or the second object containing cellulose.
  • At least one of the first object and the second object is a paper sheet or a cardboard plate.
  • Figure 1 shows, partially and schematically, an embodiment of a system comprising two objects attached to each other;
  • Figure 2 shows, in a partial and schematic manner, another embodiment of a system comprising two objects fixed to each other;
  • Fig. 3 is a block diagram of an embodiment of a method of manufacturing the system shown in Fig. 1;
  • Figure 4 illustrates a step of the method illustrated in Figure 3.
  • FIG. 5 illustrates another step of the method illustrated in FIG.
  • Cellulose is a polymer that is found in large quantities in biomass, and especially in the walls of plant cells. It consists of linearly linked glucose chains ( ⁇ -1,4 linkage) to form macromolecules that naturally combine into fibrils. The fibrils are themselves associated with fibers and form the walls of the plant fibers.
  • fibrous cellulose It is known to form fibrous cellulose from natural cellulose.
  • the fibrillated cellulose is known by the acronym NFC, or nanofiber cellulose, English NanoFibrillated Cellulose or under the acronym MFC, English MicroFibrillated Cellulose.
  • the fibers contained in the fibrillated cellulose typically have a length of between 0.5 and 2 ⁇ m and a diameter between 5 and 70 nm.
  • Fibrillated cellulose consists of crystalline regions and amorphous regions. It will be noted that, in the remainder of the description, the term "fibrillated cellulose” is used interchangeably for nanofibrillated (NFC) or microfibrillated (MFC) cellulose.
  • the cellulose can also be converted into cellulose crystals, better known by the acronym CNC (acronym for crystalline nanocellulose) or NCC (or “whiskers”), of the English NanoCristalline Cellulose.
  • CNC cronym for crystalline nanocellulose
  • NCC or “whiskers”
  • a cellulose nanocrystal (NCC) is a cellulose crystal of which at least one of the dimensions is less than 100 nm.
  • the cellulose nanocrystals typically have a length of between 100 nm to 500 nm, for example equal to about 300 nm, and a diameter of most often between 5 nm and 20 nm.
  • nanocellulose is a material comprising at least 80% by weight of cellulose nanocrystals (NCC) optionally functionalized on the surface, fibrillated cellulose (NFC, MFC) optionally functionalized on the surface or a mixture of nanocrystals. cellulose and fibrillated cellulose optionally functionalized on the surface.
  • the nanocellulose comprises at least less than 90% by weight of cellulose nanocrystals.
  • nanocrystals or "surface-functionalized" fibrillated cellulose it is meant that chemical groups are grafted onto the surface of the nanocrystals or of the fibrillated cellulose.
  • the inventors have demonstrated that the attachment of two surfaces can be carried out using nanocellulose.
  • a first layer of nanocellulose deposited on a first surface can be fixed to a second layer of nanocellulose deposited on a second surface, or can be fixed directly to the second surface in the case where the second surface belongs to an object containing cellulose.
  • FIG. 1 represents an embodiment of a system 10 comprising a first object 12 comprising a first surface 13 and a second object 14 comprising a second surface 15.
  • the first object 12 and the second object 14 are flattened objects, that is to say they correspond to objects for which the smallest dimension is smaller, by at least a factor of 10, to the other dimensions of the object.
  • the first object 12 and / or the second object 14 contain cellulose, preferably at least 50% by weight of cellulose, more preferably at least 80% by weight of cellulose.
  • the first object 12 and / or the second object 14 may not contain cellulose and be in any solid material, for example plastic.
  • a surface pretreatment corona or plasma type
  • an interface layer not shown, can be provided between each layer of nanocellulose 16, 18 and the object 12, 14 associated to facilitate adhesion of the nanocellulose layer 16, 18 on the object 12, 14 associated.
  • the first object 12 is a paper sheet or a cardboard plate and the second object 14 is a paper sheet or a cardboard plate.
  • the thickness of the first object 12 and / or the second object 14 is between 10 and 350 ym.
  • the first object 12 and the second object 14 are part of the same object, for example an envelope, a cardboard box, a sealed package, etc.
  • the system includes a first layer of nanocellulose
  • the first surface 13 and the second surface 15 have complementary shapes at least at the nanocellulose layers 16, 18.
  • the first surface 13 and the second surface 15 are substantially planar at least at the level of the nanocellulose layers 16, 18.
  • the first layer of nanocellulose 16 is in contact with the second layer of nanocellulose 18 and attached to the second layer of nanocellulose 18.
  • the first and second layers of nanocellulose 16, 18 can interpenetrate at least in part.
  • the maximum thickness of each nanocellulose layer 16, 18, measured in a direction perpendicular to the first surface 13 or the second surface 15, is between 0.5 ⁇ m and 20 ⁇ m and preferably between 0.5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the first nanocellulose layer 16 and the second nanocellulose layer 18 form an attachment zone 20 between the first object 12 and the second object 14.
  • the dimensions of each nanocellulose layer 16, 18 depend on the desired dimensions of the attachment zone 20 between the first and second surfaces 13, 15.
  • the minimum dimension of the fastening zone 20 in a plane parallel to the first and second surfaces 13, 15 at the attachment zone 20 is greater than 500 ⁇ m.
  • the maximum dimension of the fastening zone 20 in a plane parallel to the first and second surfaces 13, 15 is less than 5 cm.
  • the first object 12 is not mechanically connected to the second object 14 and a gap 22, by example filled with air, may be present between the first object 12 and the second object 14.
  • FIG. 2 represents another embodiment of a system 30 comprising all the elements of the system 10 except that the second layer of nanocellulose 18 is not present.
  • the attachment zone 20 then corresponds to the interface between the first nanocellulose layer 16 and the second surface 15.
  • the second object 14 at least contains cellulose, preferably at least 50% by weight of cellulose, more preferably at least 80% by weight of cellulose.
  • FIG. 3 is a block diagram of an embodiment of a method of manufacturing the system 10 shown in FIG. 1 comprising successive steps 40, 42 and 44.
  • the method comprises forming the nanocellulose.
  • Cellulose crystals can be obtained by chemical treatments, for example by hydrolysis of cellulose with a sulfuric acid treatment.
  • the fibrillated cellulose (NFC or MFC) can be obtained by a mechanical treatment step performed on a mixture of cellulose fibers, for example wood, suspended (pulped). This step is a mechanical disintegration of the cellulose fibers, for example by friction of the fibers, generally carried out in a machine for homogenization or friction.
  • Additional treatments can be performed in step 40 or between steps 40 and 42 to obtain nanocelluloses functionalised on the surface from the nanocellulose.
  • the treatments are, for example, enzymatic or chemical treatments, corresponding, for example, to esterification, etherification, silanization, surface polymerization or urethane formation reactions.
  • the hydroxyl (-OH) groups of the cellulose are reacted partially or totally with different chemical reagents to give cellulose esters or cellulose ethers.
  • the reagents can be organic or anhydride acids, for example a fatty-chain carboxylic acid.
  • the reactants may be haloalkanes, for example fatty-chain epoxides.
  • the composition comprising the nanocellulose may be in the form of a fluid or viscous suspension, for example in the form of a gel.
  • the composition comprising the nanocellulose comprises between 0.1% and 20% by weight of nanocellulose, preferably between 2% and 10%.
  • the solvent is generally water and may be water-alcohol mixtures or any other solvent in which the suspension of nanocellulose, optionally functionalized, is stable, that is to say that it is easily dispersed and allows removal. homogeneous.
  • the first nanocellulose layer 16 is formed on the first object 12 and the second nanocellulose layer 18 is formed on the second object 14.
  • the formation of the nanocellulose layer 16 can be carried out by depositing the composition containing the nanocellulose on the first object 12 by a so-called additive process, for example by any surface coating technique, called coating for the papers, such as for example the coating bar or blade or even the coating curtain, but also by direct printing of the composition comprising the nanocellulose at the desired locations, for example by inkjet printing, heliography, screen printing, flexography, spray coating (English spray coating) or drop-casting.
  • a drying step can then be provided to allow the solvent to evaporate from the deposited composition.
  • the composition containing the nanocellulose may be deposited with a quantity ranging from 0.5 g / m 2 to 10 g / m 2 and a thickness of between 0.5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the nanocellulose layer 18 may be formed in the same way as the nanocellulose layer 16.
  • FIG. 4 represents an exemplary structure obtained after step 42 in which the nanocellulose layer 16 has been formed on the object 12.
  • Step 44 corresponds to the attachment of the nanocellulose layer 16 deposited on the object 12 to the nanocellulose layer 18 deposited on the object 14 in the case of the system 10 or directly to the surface 15 of the object 14 in the case of the system 30.
  • Step 44 may comprise contacting the nanocellulose layer 16 against the nanocellulose layer 18 and the at least partial local heating of the nanocellulose layers 16 and 18 in contact in the case of the system 10 and include contacting. of the nanocellulose layer 16 against the surface 15 and the at least partial local heating of the nanocellulose layer 16 in the case of the system 30.
  • the heating can be achieved by an external heat source and / or by mechanical friction of the layers of nanocellulose 16 and 18 against each other in the case of the system 10 and the nanocellulose layer 16 and the object 14 in the case of the system 30.
  • the step 44 may comprise the setting in local compression of the objects 12 and 14 in the fixing zone, for example at a pressure greater than 0.25 MPa, preferably greater than 0.28 MPa, in particular between 0.5 MPa and 20 MPa.
  • step 44 comprises a step of ultrasonic welding of the nanocellulose layers 16,
  • FIG. 5 partially and schematically represents an example of an ultrasonic welding device 50.
  • the device 50 comprises:
  • an electromagnetic transducer or converter 54 which converts the control signal into a mechanical movement of oscillations
  • a device 56 for holding the object 12 on which the parts to be welded have been deposited that is to say, in the case of the system 10 shown in FIG. 1, the object 12 on which the nanocellulose 16 and the object 14 on which was deposited the nanocellulose layer 18, the nanocellulose layers 16 and 18 being in contact with each other and, in the case of the system 30 shown in FIG. object 12 on which was deposited the nanocellulose layer 16 and the object 14, the nanocellulose layer 16 being in contact with the object 14; and a sonotrode 58 for transmitting the oscillation movements of the converter 54 to the parts to be welded.
  • the frequencies typically used are between 20 kHz and 70 kHz and the amplitudes of the vibrations vary between 10 ⁇ m and 120 ⁇ m, depending on the type of material and the shape of the parts to be assembled.
  • the duration of the welding operation may be greater than 0.8 s, preferably greater than 0.9 s.
  • the inventors carried out peel tests in the case of the system 10 and the system 20.
  • the nanocellulose layers 16 and 18 comprised at least 90% by weight of cellulose nanocrystals and corresponded to ribbons having a width of 4 mm (+ / - 1 mm) and a length of 28 mm (+/- 1 mm).
  • the peel angle was 180 °.
  • the maximum peel load corresponds to the force required to separate the two objects 12 and 14 divided by the width of the fastening zone 20.
  • the inventors obtained peel forces greater than 0.8 Newton for widths of 25 mm, while in the absence of nanocellulose layers, the adhesion between the surfaces was zero. In in some cases, when the peel load between two paper surfaces was not zero, the maximum load could reach a value twice as high, for example 10 Newton for 25 mm instead of 5 Newton for 25 mm.
  • the cardboard used was a 300 g / m 2 multi-ply wooden box or cartonboard FBB manufactured by Stora Enso.
  • this cardboard was coated on its fibrous face with nanocelluloses.
  • Two types of nanocellulose have been used: nanofibrillated cellulose (NFC) or cellulose nanocrystals (NCC) suspended in water at 2% and 12% by mass, respectively.
  • the coating was carried out using the Endupap type coating machine, which is an automatic machine for coating by means of Meyer bars.
  • the deposited amount of nanocellulose in one or more passes may vary from 0.5 g / m 2 to 5 g / m 2.
  • the carton is then dried by contact at 100 ° C. for 10 minutes.
  • the ultrasonic welding is carried out using an ultrasound device marketed under the name Omega III DG - MCX by Mécasonic.
  • the ultrasound frequency was 20 kHz with an amplitude of ultrasonic waves of 90 ⁇ m.
  • first, second and third pairs of FBB cartons were used.
  • nanocelluloses were deposited on each carton of the third pair.
  • the cartons of the third pair were applied against one another on the nanocellulose layer side and an ultrasonic welding operation was performed. An adhesion to each other of the cartons of the third pair was observed.
  • the first example shows that no bonding between two cartons is observed in the absence of nanocelluloses while bonding is observed when at least one nanocellulose layer is present on one of the cartons.
  • Table I groups the results of the tests. The non-empty boxes in the table indicate the tests performed. When a weld could not be obtained or quantified during the peel test, the term "ND" was added to the table. The values listed (expressed in N / m) are those obtained during the 180 ° peel tests.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fixation d'une première surface (13) à une deuxième surface (15) comprenant les étapes suivantes: dépôt d'une première couche de nanocellulose (16) sur la première surface; mise en contact de la première couche de nanocellulose avec la deuxième surface ou avec une deuxième couche de nanocellulose (18) déposée sur la deuxième surface; et fixation de la première couche de nanocelluloseà la deuxième surface, la deuxième surface contenant de la cellulose, ou à la deuxième couche de nanocellulose par une étape de soudage par ultrasons, d'où il résulte une première zone (20) comprenant la première couche de nanocellulose où la première surface est fixée à la deuxième surface et une deuxième zone (22) autour de la première zone où la première surface n'est pas fixée à la deuxième surface.

Description

PROCEDE DE FIXATION
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FRl 6/54975 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne un procédé de fixation de surfaces l'une à l'autre, notamment des surfaces d'objets en papier ou en carton, et le système obtenu par un tel procédé. Exposé de 1 ' art antérieur
Les papiers et cartons sont des produits pouvant être utilisés comme emballage avec un taux de recyclage supérieur à 70 % en Europe. Toutefois, les emballages sont généralement assemblés et thermoscellés ou collés à l'aide de polymères, par exemple des films ou des compositions enduites à base de polyéthylène, qui peuvent rendre complexes les procédés de recyclage de papiers et de cartons et compromettre une fin de vie en tant qu'emballage biodégradable ou compostable.
Il serait souhaitable de réaliser la fixation de surfaces l'une à l'autre, notamment des surfaces d'objets en papier ou en carton, par des produits qui soient facilement recyclables, biodégradables et issus de ressources renouvelables. Résumé
Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des procédés de fixation de surfaces l'une à l'autre et des systèmes ainsi obtenus décrits précédemment .
Un autre objet d'un mode de réalisation est que les produits utilisés pour la fixation des surfaces sont d'origine naturelle et biodégradables.
Un autre objet d'un mode de réalisation est que les produits utilisés pour la fixation des surfaces sont facilement recyclables .
Un autre objet d'un mode de réalisation est que le procédé de fixation peut être mis en oeuvre à une échelle industrielle .
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un système comprenant une première surface et une deuxième surface, une première zone où la première surface est fixée à la deuxième surface et une deuxième zone autour de la première zone où la première surface n'est pas fixée à la deuxième surface, la première zone comprenant une première couche de nanocellulose fixée à la première surface, la première couche de nanocellulose étant au contact de la deuxième surface et fixée à la deuxième surface, la deuxième surface contenant de la cellulose, ou étant au contact d'une deuxième couche de nanocellulose et fixée à la deuxième couche de nanocellulose, la deuxième couche de nanocellulose étant fixée à la deuxième surface.
Selon un mode de réalisation, la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose, éventuellement fonctionnalisés en surface, de cellulose fibrillée, éventuellement fonctionnalisée en surface, ou d'un mélange de nanocristaux de cellulose et de cellulose fibrillée, éventuellement fonctionnalisés en surface.
Selon un mode de réalisation, la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose, éventuellement fonctionnalisés en surface. Selon un mode de réalisation, la première couche de nanocellulose a une épaisseur comprise entre 0,5 ym et 20 ym.
Selon un mode de réalisation, la première surface appartient à un premier objet et la deuxième surface appartient à un deuxième objet, le premier objet et/ou le deuxième objet contenant de la cellulose.
Selon un mode de réalisation, au moins l'un du premier objet et du deuxième objet est une feuille de papier ou une plaque de carton.
Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de fixation d'une première surface à une deuxième surface comprenant les étapes suivantes :
dépôt d'une première couche de nanocellulose sur la première surface ;
mise en contact de la première couche de nanocellulose avec la deuxième surface ou avec une deuxième couche de nanocellulose déposée sur la deuxième surface ; et
fixation de la première couche de nanocellulose à la deuxième surface, la deuxième surface contenant de la cellulose, ou à la deuxième couche de nanocellulose, d'où il résulte une première zone comprenant la première couche de nanocellulose où la première surface est fixée à la deuxième surface et une deuxième zone autour de la première zone où la première surface n'est pas fixée à la deuxième surface .
Selon un mode de réalisation, la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose, de cellulose fibrillée ou d'un mélange de nanocristaux de cellulose et de cellulose fibrillée.
Selon un mode de réalisation, la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose.
Selon un mode de réalisation, la fixation de la première couche de nanocellulose à la deuxième surface ou à la deuxième couche de nanocellulose comprend une étape de soudage par ultrasons . Selon un mode de réalisation, la première couche de nanocellulose a une épaisseur comprise entre 0,5 ym et 10 ym.
Selon un mode de réalisation, la première surface appartient à un premier objet et la deuxième surface appartient à un deuxième objet, le premier objet et/ou le deuxième objet contenant de la cellulose.
Selon un mode de réalisation, au moins l'un du premier objet et du deuxième objet est une feuille de papier ou une plaque de carton.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation d'un système comprenant deux objets fixés l'un à l'autre ;
la figure 2 représente, de façon partielle et schématique, un autre mode de réalisation d'un système comprenant deux objets fixés l'un à l'autre ;
la figure 3 est un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système représenté en figure 1 ;
la figure 4 illustre une étape du procédé illustré en figure 3 ; et
la figure 5 illustre une autre étape du procédé illustré en figure 3.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. La cellulose est un polymère que l'on trouve en grande quantité dans la biomasse, et notamment dans les parois des cellules végétales. Elle est constituée de chaînes de glucose liées de manière linéaire (liaison β-1,4) pour former des macromolécules qui s'agencent naturellement en fibrilles. Les fibrilles sont elles-mêmes associées en fibres et forment les parois des fibres végétales.
Il est connu de former à partir de la cellulose naturelle de la cellulose fibrillée. Lorsque les fibres présentent des diamètres inférieurs à 1 um, la cellulose fibrillée est connue sous l'acronyme NFC, ou nanofibres de cellulose, de l'anglais NanoFibrillated Cellulose ou sous l'acronyme MFC, de l'anglais MicroFibrillated Cellulose. Les fibres contenues dans la cellulose fibrillée ont typiquement une longueur comprise entre 0,5 et 2 ym et un diamètre compris entre 5 et 70 nm. La cellulose fibrillée est constituée de régions cristallines et de régions amorphes. On note que, dans la suite de la description, le terme "cellulose fibrillée" est utilisé indifféremment pour de la cellulose nanofibrillée (NFC) ou microfibrillée (MFC) .
La cellulose peut également être transformée en cristaux de cellulose, plus connus sous l'acronyme CNC (sigle anglais pour crystalline nanocellulose) ou NCC (ou "whiskers") , de l'anglais NanoCristalline Cellulose. Un nanocristal de cellulose (NCC) est un cristal de cellulose dont au moins l'une des dimensions est inférieure à 100 nm. Les nanocristaux de cellulose ont typiquement une longueur comprise entre 100 nm à 500 nm, par exemple égale à environ 300 nm, et un diamètre compris le plus souvent entre 5 nm et 20 nm.
Dans la suite de la description, on appelle nanocellulose un matériau comprenant au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose (NCC) éventuellement fonctionnalisés en surface, de cellulose fibrillée (NFC, MFC) éventuellement fonctionnalisée en surface ou d'un mélange de nanocristaux de cellulose et de cellulose fibrillée éventuellement fonction- nalisés en surface. De préférence, la nanocellulose comprend au moins 90 % en poids de nanocristaux de cellulose. Par nanocristaux ou cellulose fibrillée "fonctionnalisés en surface", on entend que des groupes chimiques sont greffés à la surface des nanocristaux ou de la cellulose fibrillée.
Les inventeurs ont mis en évidence que la fixation de de deux surfaces peut être réalisée en utilisant de la nanocellulose. En particulier, les inventeurs ont mis en évidence qu'une première couche de nanocellulose déposée sur une première surface peut être fixée à une deuxième couche de nanocellulose déposée sur une deuxième surface, ou peut être fixée directement à la deuxième surface dans le cas où la deuxième surface appartient à un objet contenant de la cellulose.
La figure 1 représente un mode de réalisation d'un système 10 comprenant un premier objet 12 comprenant une première surface 13 et un deuxième objet 14 comprenant une deuxième surface 15. Selon un mode de réalisation, le premier objet 12 et le deuxième objet 14 sont des objets aplatis, c'est-à-dire qu'ils correspondent à des objets pour lesquels la plus petite dimension est inférieure, d'au moins un facteur 10, aux autres dimensions de l'objet. Selon un mode de réalisation, le premier objet 12 et/ou le deuxième objet 14 contiennent de la cellulose, de préférence au moins 50 % en poids de cellulose, plus préférentiellement au moins 80 % en poids de cellulose. A titre de variante, le premier objet 12 et/ou le deuxième objet 14 peuvent ne pas contenir de cellulose et être en n'importe quel matériau solide, par exemple en matière plastique. Dans ce cas, un prétraitement de surface (de type corona ou plasma) ou une couche d'interface, non représentée, peut être prévue entre chaque couche de nanocellulose 16, 18 et l'objet 12, 14 associé afin de faciliter l'adhésion de la couche de nanocellulose 16, 18 sur l'objet 12, 14 associé.
A titre d'exemple, le premier objet 12 est une feuille de papier ou une plaque de carton et le deuxième objet 14 est une feuille de papier ou une plaque de carton. A titre d'exemple, l'épaisseur du premier objet 12 et/ou du deuxième objet 14 est comprise entre 10 ym et 350 ym. Selon un mode de réalisation, le premier objet 12 et le deuxième objet 14 font partie d'un même objet, par exemple une enveloppe, une boîte en carton, un emballage scellé, etc.
Le système comprend une première couche de nanocellulose
16 sur une partie de la première surface 13, au contact de la première surface 13 et fixée à la première surface 13 et une deuxième couche de nanocellulose 18 sur une partie de la deuxième surface 15, au contact de la deuxième surface 15 et fixée à la deuxième surface 15. La première surface 13 et la deuxième surface 15 ont des formes complémentaires au moins au niveau des couches de nanocellulose 16, 18. Selon un mode de réalisation, la première surface 13 et la deuxième surface 15 sont sensiblement planes au moins au niveau des couches de nanocellulose 16, 18. La première couche de nanocellulose 16 est au contact de la deuxième couche de nanocellulose 18 et fixée à la deuxième couche de nanocellulose 18. Les première et deuxième couches de nanocellulose 16, 18 peuvent s'interpénétrer au moins en partie. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur maximale de chaque couche de nanocellulose 16, 18, mesurée selon une direction perpendiculaire à la première surface 13 ou à la deuxième surface 15, est comprise entre 0,5 ym et 20 ym et de préférence entre 0,5 ym et 10 ym.
La première couche de nanocellulose 16 et la deuxième couche de nanocellulose 18 forment une zone de fixation 20 entre le premier objet 12 et le deuxième objet 14. Les dimensions de chaque couche de nanocellulose 16, 18 dépendent des dimensions souhaitées de la zone de fixation 20 entre les première et deuxième surfaces 13, 15. Selon un mode de réalisation, la dimension minimale de la zone de fixation 20 dans un plan parallèle aux première et deuxième surfaces 13, 15 au niveau de la zone de fixation 20 est supérieure à 500 ym. A titre d'exemple, la dimension maximale de la zone de fixation 20 dans un plan parallèle aux première et deuxième surfaces 13, 15 est inférieure à 5 cm. Autour de la zone de fixation 20, le premier objet 12 n'est pas mécaniquement relié au deuxième objet 14 et un interstice 22, par exemple rempli d'air, peut être présent entre le premier objet 12 et le deuxième objet 14.
La figure 2 représente un autre mode de réalisation d'un système 30 comprenant l'ensemble des éléments du système 10 à la différence que la deuxième couche de nanocellulose 18 n'est pas présente. La zone de fixation 20 correspond alors à l'interface entre la première couche de nanocellulose 16 et la deuxième surface 15. Dans ce mode de réalisation, le deuxième objet 14 au moins contient de la cellulose, de préférence au moins 50 % en poids de cellulose, plus préférentiellement au moins 80 % en poids de cellulose.
La figure 3 est un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système 10 représenté en figure 1 comprenant des étapes successives 40, 42 et 44.
A l'étape 40, le procédé comprend la formation de la nanocellulose. Les cristaux de cellulose (NCC) peuvent être obtenus à l'aide de traitements chimiques, par exemple par hydrolyse de la cellulose avec un traitement à l'acide sulfurique. La cellulose fibrillée (NFC ou MFC) peut être obtenue par une étape de traitement mécanique réalisée sur un mélange de fibres de cellulose, par exemple de bois, mises en suspension (pulpées) . Cette étape est une désintégration mécanique des fibres de cellulose, par exemple par friction des fibres, généralement réalisée dans une machine d'homogénéisation ou de friction.
Des traitements supplémentaires peuvent être réalisés à l'étape 40 ou entre les étapes 40 et 42 pour obtenir des nanocelluloses fonctionnalisées en surface à partir de la nanocellulose. Les traitements sont par exemple des traitements enzymatiques ou chimiques, correspondant par exemple à des réactions d'estérification, d'éthérification, de silanisation, de polymérisation de surface ou de formation d'uréthane. A titre d'exemple, on fait réagir les groupements hydroxyle (-OH) de la cellulose partiellement ou totalement avec différents réactifs chimiques pour donner des esters de cellulose ou des éthers de cellulose. Pour l'obtention d'esters de cellulose, les réactifs peuvent être des acides organiques ou anhydrides, par exemple un acide carboxylique à chaîne grasse. Pour l'obtention d'éthers de cellulose, les réactifs peuvent être des halogénoalcanes, par exemple des époxydes à chaîne grasse.
A la fin de l'étape 40, la composition comprenant la nanocellulose peut être sous la forme d'une suspension fluide ou visqueuse, par exemple sous forme de gel. A titre d'exemple, la composition comprenant la nanocellulose comprend entre 0,1 % et 20 % en poids de nanocellulose, de préférence entre 2 % et 10 %. Le solvant est généralement de l'eau et peut être des mélanges eau-alcool ou tout autre solvant dans lequel la suspension de nanocellulose, éventuellement fonctionnalisée, est stable, c'est- à-dire qu'elle est facilement dispersée et permet une dépose homogène .
A l'étape 42, la première couche de nanocellulose 16 est formée sur le premier objet 12 et la deuxième couche de nanocellulose 18 est formée sur le deuxième objet 14. La formation de la couche de nanocellulose 16 peut être réalisée en déposant la composition contenant la nanocellulose sur le premier objet 12 par un procédé dit additif, par exemple par n'importe quelle technique d'enduction de surface, appelée couchage pour les papiers, comme par exemple le couchage à barre ou à lame voire le couchage rideau, mais aussi par impression directe de la composition comprenant la nanocellulose aux emplacements souhaités, par exemple par impression par jet d'encre, héliographie, sérigraphie, flexographie, revêtement par pulvérisation (en anglais spray coating) ou dépôt de gouttes (en anglais drop-casting) . Une étape de séchage peut alors être prévue pour laisser s'évaporer le solvant de la composition déposée. A titre d'exemple, la composition contenant la nanocellulose peut être déposée avec une quantité pouvant varier de 0,5 g/m^ à 10 g/m^ et une épaisseur comprise entre 0,5 ym et 10 ym. La couche de nanocellulose 18 peut être formée de la même façon que la couche de nanocellulose 16. La figure 4 représente un exemple de structure obtenue après l'étape 42 dans laquelle la couche de nanocellulose 16 a été formée sur l'objet 12.
L'étape 44 correspond à la fixation de la couche de nanocellulose 16 déposée sur l'objet 12 à la couche de nanocellulose 18 déposée sur l'objet 14 dans le cas du système 10 ou directement à la surface 15 de l'objet 14 dans le cas du système 30.
L'étape 44 peut comprendre la mise en contact de la couche de nanocellulose 16 contre la couche de nanocellulose 18 et le chauffage local au moins partiel des couches de nanocellulose 16 et 18 en contact dans le cas du système 10 et comprendre la mise en contact de la couche de nanocellulose 16 contre la surface 15 et le chauffage local au moins partiel de la couche de nanocellulose 16 dans le cas du système 30. Le chauffage peut être réalisé par une source de chaleur externe et/ou par frottements mécaniques des couches de nanocellulose 16 et 18 l'une contre l'autre dans le cas du système 10 et de la couche de nanocellulose 16 et de l'objet 14 dans le cas du système 30. L'étape 44 peut comprendre la mise en compression locale des objets 12 et 14 dans la zone de fixation par exemple à une pression supérieure à 0,25 MPa, de préférence supérieure à 0,28 MPa, notamment comprise entre 0,5 MPa et 20 MPa.
Selon un mode de réalisation, l'étape 44 comprend une étape de soudage par ultrasons des couches de nanocellulose 16,
18 l'une à l'autre dans le cas du système 10 et de la couche de nanocellulose 16 à l'objet 14 dans le cas du système 30. Des vibrations de haute fréquence sont appliquées aux deux objets 12 et 14 par le biais d'un outil vibrant appelé sonotrode ou tête de soudure. La soudure se fait grâce à la chaleur engendrée et/ou à la vibration mécanique à l'interface des pièces à fixer. La durée de l'étape de soudage peut être comprise entre 0,005 s et 10 s. De préférence, la température locale maximale dans la couche de nanocellulose 16 pendant l'étape 44 est inférieure à 350 °C. La figure 5 représente de façon partielle et schématique un exemple de dispositif de soudage par ultrasons 50. Le dispositif 50 comprend :
un générateur électrique 52 fournissant un signal électrique oscillant de commande S ;
un transducteur électromagnétique ou convertisseur 54 qui convertit le signal de commande en un mouvement mécanique d'oscillations ;
un dispositif de maintien 56 de l'objet 12 sur lequel ont été déposées les pièces à souder, c'est-à-dire dans le cas du système 10 représenté en figure 1, l'objet 12 sur lequel a été déposée la couche de nanocellulose 16 et l'objet 14 sur lequel a été déposée la couche de nanocellulose 18, les couches de nanocellulose 16 et 18 étant au contact l'une de l'autre et, dans le cas du système 30 représenté en figure 2, l'objet 12 sur lequel a été déposée la couche de nanocellulose 16 et l'objet 14, la couche de nanocellulose 16 étant en contact avec l'objet 14 ; et une sonotrode 58 destinée à transmettre les mouvements d'oscillations du convertisseur 54 aux pièces à souder.
Les fréquences typiquement utilisées sont comprises entre 20 kHz et 70 kHz et les amplitudes des vibrations varient entre 10 ym et 120 um, en fonction du type de matériel et de la forme des pièces à assembler. La durée de l'opération de soudage peut être supérieure à 0,8 s, de préférence supérieure à 0,9 s.
Les inventeurs ont réalisé des tests de pelage dans le cas du système 10 et du système 20. Les couches de nanocellulose 16 et 18 comprenaient au moins 90 % en poids de nanocristaux de cellulose et correspondaient à des rubans ayant une largeur de 4 mm (+/- 1 mm) et une longueur de 28 mm (+/-1 mm) . L'angle de pelage était de 180°. La charge maximale de pelage correspond à la force nécessaire pour séparer les deux objets 12 et 14 divisée par la largeur de la zone de fixation 20. Les inventeurs ont obtenu des forces de pelage supérieures à 0,8 Newton pour des largeurs de 25 mm, tandis qu'en l'absence des couches de nanocellulose, l'adhésion entre les surfaces était nulle. Dans certains cas, lorsque la charge de pelage entre deux surfaces de papier n'était pas nulle, la charge maximale pouvait atteindre une valeur deux fois plus élevée, par exemple 10 Newton pour 25 mm au lieu de 5 Newton pour 25 mm.
Des essais ont été réalisés. Pour ces essais, le carton utilisé était un carton intérieur bois ou carton FBB (sigle anglais pour Folding Box Board) multicouches de 300 g/m^ fabriqué par la société Stora Enso. Pour certains essais, ce carton a été couché sur sa face fibreuse avec des nanocelluloses. Deux types de nanocelluloses ont été utilisés : de la cellulose nanofibrillée (NFC) ou des nanocristaux de cellulose (NCC) en suspension dans de l'eau à respectivement 2 % et 12 % en masse. Le couchage a été effectué à l'aide de la machine d' enduction de type Endupap qui est une machine automatique permettant le couchage par enduction à l'aide de barres de Meyer. La quantité déposée de nanocellulose en une ou plusieurs passages peut varier de 0,5 g/m^ à 5 g/m^. Le séchage du carton se fait ensuite par contact à 100°C pendant 10 minutes. Le soudage par ultrasons s'effectue à l'aide d'un dispositif ultrasons commercialisé sous l'appellation Oméga III DG - MCX par la société Mécasonic. La fréquence des ultrasons était de 20 kHz avec une amplitude des ondes ultrasonores de 90 ym.
Exemple 1
Pour le premier exemple, des première, deuxième et troisième paires de cartons FBB ont été utilisées.
Pour la première paire de cartons, il n'y a pas eu de nanocelluloses déposées sur les cartons de la première paire. Les cartons de la première paire ont été appliqués l'un contre l'autre et une opération de soudage par ultrasons a été réalisée. Aucune adhésion l'un à l'autre des cartons de la première paire n'a été observée .
Pour la deuxième paire de cartons, il n'y a pas eu de nanocelluloses déposées sur l'un des cartons de la deuxième paire et des nanocelluloses ont été déposées sur l'autre carton de la deuxième paire. Les cartons de la deuxième paire ont été mis en contact l'un contre l'autre du côté de la couche de nanocelluloses et une opération de soudage par ultrasons a été réalisée. Une adhésion l'un à l'autre des cartons de la deuxième paire a été observée .
Pour la troisième paire de cartons, des nanocelluloses ont été déposées sur chaque carton de la troisième paire. Les cartons de la troisième paire ont été appliqués l'un contre l'autre du côté des couches de nanocelluloses et une opération de soudage par ultrasons a été réalisée. Une adhésion l'un à l'autre des cartons de la troisième paire a été observée.
Le premier exemple met en évidence qu'aucun collage entre deux cartons n'est observé en l'absence de nanocelluloses alors qu'un collage est observé lorsqu'au moins une couche de nanocelluloses est présente sur l'un des cartons.
Deuxième exemple
Pour le deuxième exemple, plusieurs paires de cartons FBB ont été utilisées. Pour chaque paire de cartons, des nanocelluloses ont été déposées sur chaque carton de la paire. Les cartons de chaque paire ont été appliqués l'un contre l'autre du côté des couches de nanocelluloses et une opération de soudage par ultrasons a été réalisée. Deux paramètres ont été modifiés lors des opérations de soudage par ultrasons : la durée de soudage et la pression appliquée sur les cartons. Plusieurs couples pression/durée ont été testés. Des essais de pelage à 180° ont été effectués lorsque la soudure des cartons était observée.
Le tableau I regroupe les résultats des essais. Les cases non vides du tableau indiquent les essais effectués. Lorsqu'un soudage n'a pu être obtenu ou quantifié lors de l'essai de pelage, le terme "ND" a été ajouté au tableau. Les valeurs répertoriées (exprimées en N/m) sont celles obtenues lors des essais de pelage à 180°.
Tableau I

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fixation d'une première surface (13) à une deuxième surface (15) comprenant les étapes suivantes :
dépôt d'une première couche de nanocellulose (16) sur la première surface ;
mise en contact de la première couche de nanocellulose avec la deuxième surface ou avec une deuxième couche de nanocellulose (18) déposée sur la deuxième surface ; et
fixation de la première couche de nanocellulose à la deuxième surface, la deuxième surface contenant de la cellulose, ou à la deuxième couche de nanocellulose par une étape de soudage par ultrasons, d'où il résulte une première zone (20) comprenant la première couche de nanocellulose où la première surface est fixée à la deuxième surface et une deuxième zone (22) autour de la première zone où la première surface n'est pas fixée à la deuxième surface.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose, de cellulose fibrillée ou d'un mélange de nanocristaux de cellulose et de cellulose fibrillée.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose .
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première couche de nanocellulose (16) a une épaisseur comprise entre 0,5 ym et 20 ym.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la première couche de nanocellulose (16) a une épaisseur comprise entre 0,5 ym et 10 ym.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première surface (13) appartient à un premier objet (12) et la deuxième surface (15) appartient à un deuxième objet (14) , le premier objet et/ou le deuxième objet contenant de la cellulose.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel au moins l'un du premier objet (12) et du deuxième objet (14) est une feuille de papier ou une plaque de carton.
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