FR3052101A1 - Procede de fixation et systeme obtenu par un tel procede - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système (10) comprenant une première surface (13) et une deuxième surface (15), une première zone (20) 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, la première zone comprenant une première couche de nanocellulose (16) 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 (18) et fixée à la deuxième couche de nanocellulose, la deuxième couche de nanocellulose étant fixée à la deuxième surface.

Description

PROCÉDÉ DE FIXATION ET SYSTÈME OBTENU PAR UN TEL PROCÉDÉ
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 l'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 μm et 20 gm.
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 pm et 10 pm.
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 pm, 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 pm 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 fonctionnalisés 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 pm et 350 pm. 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 pm et 20 pm et de préférence entre 0,5 pm et 10 pm.
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 pm. 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 pm et 10 pm. 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 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 pm et 120 pm, en fonction du type de matériel et de la forme des pièces à assembler.
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.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système (10 ; 30) comprenant une première surface (13) et une deuxième surface (15), une première zone (20) 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, la première zone comprenant une première couche de nanocellulose (16) 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 (18) et fixée à la deuxième couche de nanocellulose, la deuxième couche de nanocellulose étant fixée à la deuxième surface.
  2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel 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.
  3. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose, éventuellement fonctionnalisés en surface.
  4. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première couche de nanocellulose (16) a une épaisseur comprise entre 0,5 pm et 20 pm.
  5. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 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.
  6. 6. Système selon la revendication 5, 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.
  7. 7. 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, 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.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, 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.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la nanocellulose comprend au moins 80 % en poids de nanocristaux de cellulose.
  10. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la fixation de la première couche de nanocellulose (16) à la deuxième surface (15) ou à la deuxième couche de nanocellulose (18) comprend une étape de soudage par ultrasons.
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel la première couche de nanocellulose (16) a une épaisseur comprise entre 0,5 pm et 10 pm.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, 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.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, 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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