FR2964064A1 - Materiau biocomposite et son procede de fabrication - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un matériau biocomposite particulièrement écologique, biodégradable et très résistant. Il a l'aspect ou la texture des matériaux d'origine végétale et/ou animale renouvelables qui compose la couche supérieure. Il est composé d'une superposition d'une ou de plusieurs couches de matériaux d'origine végétale et/ou animale renouvelables de plus de 3 cm de long et d' une ou de plusieurs feuilles de polymères biodégradables à l'exception des polymères du groupe des Polyhydroxyalkanoates. Lorsque des fibres naturelles sont utilisées, elles sont disposées unidirectionnellement ou par mèches ondulées ou bouclées. Ces matériaux d'origine végétale et/ou animale biodégradables peuvent provenir de fibres naturelles, de feuilles, d'écorces, de tiges, de racines, de fleurs, de peaux de fruits et autres, à l'exception de fibres de légumes et de graines ayant subi un prétraitement, de pailles de moins de 5 cm, de pulpe, de cellulose extraite, de papiers et de bois issus du tronc de l'arbre. La présente invention est obtenue après pressage à chaud et sous pression. Ce matériau biocomposite peut être transformé par découpage, réchauffage, moulage, usinage, recouvrement d'une matière protectrice ou de peinture, assemblage et autres. La présente invention se destine notamment à des objets domestiques, des plaques, du mobilier, des éléments d'architecture intérieure et autres.

Description

MATERIAU BIOCOMPOSITE ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION Domaine technique:
La présente invention concerne une composition biocomposite ainsi que son procédé de fabrication; elle est plus particulièrement constituée d'un renfort de matériaux d'origine végétale et/ou animale renouvelables et d'une matrice en polymères 10 biodégradables; la présente invention se destine notamment à des objets domestiques, des plaques, du mobilier, des éléments d'architecture intérieure et autres.
Technique antérieure:
15 De manière connue, le terme biocomposite désigne les compositions à base d'un renfort de fibres naturelles et d' une matrice plastique. Les fibres naturelles dans un matériau plastique renforce ses performances et l'allège, tout en diminuant son coût. Les biocomposites proposent une alternative plus écologique aux composites en fibres de verre car ils sont plus faciles à éliminer en fin de vie du produit, plus légers, ils 20 consomment moins d'énergie à la production et les fibres naturelles ne sont pas irritantes pour la peau et la respiration. Une des applications majeures des biocomposites est l'habitacle automobile.
Certains de ces biocomposites, brevetés ou existants sur le marché, sont 25 composés de fibres naturelles et d'une matrice d'origine pétrochimique. Par exemple, la publication EP 0589193 (Al) concerne un panneau comprenant des fibres de lin et une résine polyoléfine. Cependant ces matrices d'origine pétrochimique peuvent être nocives pour la santé de l'usager et du travailleur, et le matériau reste difficile à éliminer en fin de vie. De ce fait, ces biocomposites ne sont pas vraiment écologiques. 30 Certains biocomposites brevetés ou existants sur le marché utilisent des fibres naturelles très courtes (moins de 3 cm de long), comme dans la publication DE3150547. Ces fibres sont coupées très courtes pour être mélangées homogènement avec une matrice thermoplastique et le mélange est injecté dans un moule ou extrudé en profilé, 35 comme dans la publication FR 2733989. II en résulte un matériau aisément moulable mais avec une faible résistance mécanique. (environs 40 Mpa au test de flexion). De plus, l'injection et l'extrusion plastique consomment beaucoup d'énergie et de ce fait ne sont pas très écologiques.
D'autres biocomposites sont constitués de fibres plus longues d'environ 3 à 20 cm qui sont emmêlées sous forme de mat, torsadées en fil ou tissées. Ces mats ou ces tissés peuvent être imprégnées d'une résine thermodurcissable, comme dans la publication EP0560129. Pour d'autre biocomposites, les couches de mats ou de tissés de fibres naturelles sont disposés entre des couches de thermoplastique, et l'ensemble est pressé à chaud. Du fait de la superposition et proximité des fibres dans le tissé ou dans le mat Il en résulte un matériau de faible résistance mécanique et parfois une mauvaise imprégnation des fibres. (de 40 Mpa à 100 Mpa au test de flexion).
Des recherches sont effectuées sur l'intégration d'agents couplant dans le biocomposite ou sur des traitements chimiques ou physiques des fibres naturelles, en vue d'améliorer l'adhésion des fibres avec la matrice et ainsi augmenter les propriétés mécaniques du matériau. Par exemple, un agent couplant est ajouté au biocomposite de la publication W09605347. Cependant, ces adjuvants ou traitements chimiques des fibres sont particulièrement nocifs pour la santé du travailleur et l'environnement et augmente le coût du matériau, sans de grandes améliorations concernant les propriétés physiques du biocomposite.
Exposé de l'invention:
Un but de la présente invention est de proposer un matériau biocomposite particulièrement écologique, parmi les plus résistants (jusqu'à 278 Mpa au test de flexion), peu coûteux, peu volumineux, biodégradable ou recyclable, tout en ayant une bonne tenue à l'humidité, et consommant peu d'énergie à la production comparé aux techniques d'injection et d'extrusion couramment utilisées. La présente invention a une texture et un aspect innovants, du fait de sa composition et de sa méthode de production. Lorsque le polymère biodégradable est issus d' agro-ressources ou de biotechnologies, tel que l'acide polylactique, la présente invention est entièrement constituée à partir de matières renouvelables et ne produit pas d'émanations nocives pour la santé du travailleur et de l'usager.
La présente invention est composée d'un renfort de matériaux végétales et/ou animales de grandes dimensions (plus de 3 cm à 4 mètres de long), et lorsqu'il s'agit de fibres, elles sont disposées unidirectionnellement, par fibres, mèches ou paquets de mèches, et non sous forme de mat ou de tissé, ce qui confère d'avantage de résistance au matériau (jusqu'à 278 Mpa au test de flexion). Le matériau est composé de 20 à 90% (ou même de 10 à 90% du poids total) de matériaux végétales ou/et animales renouvelables.
La technique de fabrication consiste en une superposition d'une couche ou plus de matériaux d'origine végétales et/ou animales renouvelables et d'une feuille ou plus de polymères biodégradables de 0,01 millimètre à 3 millimètres d'épaisseur à l'exception des polymères du groupe des Polyhydroxyalkanoates; et le tout est pressé à chaud avec pression. Il en résulte un matériau très résistant et une esthétique et texture innovante. Cette technique est peu polluante car elle consomme un moindre énergie comparée à celui nécessaire pour une injection ou une extrusion plastique.
Les matériaux d'origine végétale constituant le renfort, pour être renouvelables, doivent pouvoir mettre moins de 3 ans à se régénérer ou à repousser. De préférence, il s'agit de fibres naturelles telles que les fibres de jute, de lin, de chanvre, de kénaf, de sisal, de bananier, d'abaca et autres, de feuilles, d'écorces, de fleurs, de tiges, de racines, de peaux de fruits et autres, à l'exception de fibres de légumes et de graines ayant subi un prétraitement, de fibres ayant subi une micro-fibrillation, de pailles de moins de 5 cm, de pulpes, de cellulose extraites, de papier et de bois issus du tronc de l'arbre. Elles peuvent être séchées à l'aide d'un dés-humidificateur, d'un four ou du soleil. Tout le végétal ou seulement une ou des parties peuvent être utilisées et transformées par découpage, teinture, séchage, assemblage, extraction par attaque microbienne et autres à l'exception de la micro-fibrillation des fibres. Les matériaux d'origine animale doivent provenir d'animaux d'élevage. Il peut s'agir de plumes, de peaux et autres et ils peuvent subir les mêmes transformations que pour les matériaux d'origine végétale (découpage, séchage, etc...). Ces matériaux d'origine végétale et/ou animale ont pour mission de renforcer le matériau et il en résulte une esthétique et texture caractéristiques des matériaux d'origine végétale et/ou animale aplatis qui composent les couches supérieures.
L'ajout d'adjuvants et d'agents de couplage et les traitements chimiques des fibres naturelles n'apportent pas suffisamment d'améliorations à la présente invention, après tests. De plus, ces agents de couplage et ces traitements sont peu écologiques et coûteux.
La composition peut-être recouverte de matières protectrices, de résines, de peintures et autres, de préférence écologiques.
Les dessins annexés illustrent l'invention:
La figure 1 représente une des possibilités de composition et de superposition des couches de la présente invention, avant le pressage à chaud et sous pression.
La figure 2 représente une vue en coupe d'un exemple du pressage des couches 10 superposées de la fig.1 en utilisant une presse chaude.
La figure 3 représente une vue en coupe d'un exemple de pressage des couches superposées de la fig.1 dans un moule chauffé.
15 Les figures 4, 5 et 6 représentent des photographies de déclinaisons possibles de la présente invention, obtenues après l'opération de pressage.
La figure 7 représente un tabouret à partir de la présente invention.
20 La fabrication de la présente invention s'effectue par une superposition de plusieurs couches, et cette superposition est ensuite pressée à chaud. Sous l'action de la chaleur et de la pression, le polymère biodégradable se ramolli et se mêle aux fibres. On obtient de préférence une plaque.
25 On peut superposer deux couches au minimum, et un nombre illimité au-delà de deux couches. Les couches désignées par (1) sont des feuilles de polymère biodégradable qui peuvent être de différentes épaisseurs et elles alternent généralement les couches de matériaux d'origine végétale et/ou animale (2, 3, 4 et 5) renouvelables. Des couches de même origine peuvent aussi être superposées l'une sur 30 l'autre. Dans l'illustration, la couche supérieure de matériaux d'origine végétale et/ou animale (2) est constituée de feuilles sèches. Les couches de matériaux d'origine végétale et/ou animale peuvent être des couches de fibres naturelles unidirectionnelles (3). Les mèches de fibres peuvent être prolongées par d'autres à leurs extrémités. Dans d'autres couches, les fibres naturelles unidirectionnelles peuvent être dirigées dans 35 d'autres directions, et cela assure ainsi une résistance du matériau dans plusieurs sens. Ces fibres naturelles ou mèches de fibres peuvent être aussi ondulées et/ou bouclées (5) et cela a aussi une fonction de consolidation.
Le pressage à chaud (fig. 2) peut s'effectuer à l'aide d'une presse chaude (9). Les couches superposées décrites précédemment (11) sont placées entre des plaques d'acier ou de fonte (10), optionnellement entre des feuilles anti-adhésives, et entourées de cales (8) de l'épaisseur désirée du futur matériau. Ces plaques d'acier ou de fonte peuvent former des sur-épaisseurs (14), des rainures (15) ou une texture particulière qui créent inversement des rainures, des sur-épaisseurs, ou une texture particulière sur la plaque obtenue. La presse chaude (9) chauffe le tout à une température comprise entre 50 et 350 degrés et applique une pression sur les surfaces entre 5 et 1000 bars par centimètres carrés.
Une déclinaison possible de ce pressage à chaud (Fig. 3) est de mouler les couches empilées (11) dans un moule (13) chauffé entre 50 et 350 degrés et d'appliquer sur le tout une pression entre 5 et 1000 bar par centimètres carrés. Ce moule peut aussi contenir des sur-épaisseurs (14), des rainures (15) ou une texture particulière qui créent inversement des des rainures, sur-épaisseurs ou une texture particulière sur la surface du matériau obtenu.
Après l'opération de pressage, le matériau obtenu est mis à refroidir, ou il peut être directement moulé dans une autre forme puis mis aussi à refroidir, et on obtient la présente invention.
La figure 4 représente un exemple de la présente invention. Elle est composée uniquement de fibres naturelles et la couche supérieure est composée de fibres naturelles teintes de plusieurs couleurs, unidirectionnelles, légèrement ondulées.
La figure 5 représente un autre exemple de la présente invention. La couche supérieure de matériaux d'origine végétale et/ou animale renouvelables est composée de racines de patchouli sèches (12), de fibre naturelles et d'une plume teinte (13). La figure 6 représente un autre exemple de la présente invention. Le matériau est composé de fibres naturelles unidirectionnelles (4) et sur la couche supérieur, il est composé de fibres naturelles bouclées et ondulées (5).
35 La figure 7 représente un autre exemple de la présente invention, un tabouret en fibres de bananier et en acide polylactique. Une plaque de la présente invention a été moulée autour d'une forme, juste après son pressage à chaud, puis mise à refroidir.30 La présente invention est produite de préférence sous forme de panneau mais elle peut être aussi produite sous des formes tridimensionnelles variées, comportées des rainures ou des sur-épaisseurs. Elle peut être travaillée par recouvrement d'une matière protectrice ou de la peinture, par découpage, réchauffage et moulage, usinage et autres. Elle se destine notamment à du mobilier, des plaques, des objets domestiques, des éléments architecturaux et autres.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1) Matériau biocomposite destiné notamment à des objets domestiques, des plaques, du mobilier, des éléments d'architecture intérieure et autres, caractérisé par le fait qu'il est composé d'une superposition (Fig. 1) d'une ou plusieurs couches de matériaux d'origine végétale et/ou animale renouvelables de plus de 3 cm de long (2, 3, 4 et 5) et d'une ou plusieurs feuilles de polymères biodégradables (1) de 0,01 millimètre à 3 millimètres d'épaisseur à l'exception des polymères du groupe des Polyhydroxyalkanoates; la présente invention est obtenue après pressage à chaud entre 50 et 350 degrés effectué avec une pression entre 5 et 1000 bar par centimètres carrés (Fig. 2 et 3); la présente invention a l'aspect et/ou la texture des matériaux d'origine végétale et/ou animale renouvelables qui compose la couche supérieure (exemple des Fig. 3, 4 et 5).
  2. 2) Matériau biocomposite selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits matériaux d'origine végétale renouvelables de plus de 3 cm de long peuvent provenir de fibres naturelles, de feuilles, d'écorces, de tiges, de racines, de fleurs, de peaux de fruits et autres, à l'exception de fibres de légumes et de graines ayant subi un prétraitement, de pailles de moins de 5 cm, de pulpe, de cellulose extraite, de papier et de bois issus du tronc de l'arbre; Pour être renouvelables, ces matériaux d'origines végétales doivent pouvoir mettre moins de 3 ans à se régénérer; tout ou seulement une partie du végétal peut être utilisé et transformé par séchage, découpage, teinture, assemblage, extraction par dégradation microbienne et autres à l'exception de bain chimique et d'ajout d'agents couplant.
  3. 3) Matériau biocomposite selon la revendication 1 caractérisé en ce que tout ou une partie des matériaux d'origine végétale renouvelables qui composent la présente invention sont des fibres naturelles longues de plus de 3 cm, telles que les fibres de jute, de lin, de chanvre, de kénaf, de sisal, de bananier, d'abaca et autres, disposées de manière unidirectionnelle par fibres, mèches de fibres ou paquet de mèches, avec une direction qui peut être différente selon les couches (3 et
  4. 4), et le biocomposite qui en résulte possède une excellente résistance mécanique dans plusieurs sens(Fig 3).) Matériau biocomposite selon la revendication 2 caractérisé en ce que les fibres naturelles ou mèches de fibres ou paquets de mèches peuvent être prolongés par d'autres à leurs extrémités (3).
  5. 5) Matériau biocomposite selon la revendication 2 caractérisé en ce que les fibres naturelles ou mèches de fibres peuvent être légèrement ondulées, et sur les couches supérieurs du matériau elles peuvent être ondulées et bouclées (5 et Fig. 5).
  6. 6) Matériau biocomposite selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les matériaux d'origine animale qui peuvent le composer doivent provenir d'animaux d'élevage et peuvent être des plumes, des peaux et autres et peuvent subir des transformations telles que le découpage en plusieurs parties, teinture, assemblage, extraction par dégradation microbienne et autres à l'exception de bain chimique et d'ajout d'agents couplant.
  7. 7) Matériau biocomposite selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il peut être transformé, juste après pressage ou après être refroidit, par découpage, réchauffage, moulage, usinage, recouvrement de matières protectrices, de résines ou de peintures, assemblage et autre, comme par exemple pour créer du mobilier (Fig. 7).
  8. 8) Matériau biocomposite selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les couches empilées (11) sont placées dans un moule chauffé (fig. 3, 13) et de la pression est appliquée sur le moule; la présente invention ainsi obtenue peut être de formes tridimensionnelles variées conséquentes au moule, et peut présenter des sur-épaisseurs, des rainures, une texture particulière et autres.
  9. 9) Matériau biocomposite selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les feuilles de polymères biodégradables (1) sont issues d' agro- ressources ou de biotechnologies, et sont de préférence en acide polylactique; de ce fait la présente invention est composée à partir de ressources renouvelables uniquement.
  10. 10) Matériau biocomposite selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les matériaux d'origine végétale et/ou animale renouvelables constituent entre 10% et 90% du poids du matériau.
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