FR3084080A1 - Composition de liant pour laine minerale - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une composition aqueuse de liant pour la fabrication de produits isolants à base de laine minérale, comprenant (a) un glucide choisi parmi les sucres réducteurs, les sucres non-réducteurs , les sucres hydrogénés et des mélanges de ceux-ci, la proportion de sucres hydrogénés dans le glucide étant comprise entre 25 et 100 % en poids, (b) au moins un acide polycarboxylique monomère ou un sel ou anhydride d'un tel acide, (c) de 0,05 % à 1,0 % en poids, de préférence de 0,10 % à 0,8 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), de polyethylèneimine (PEI), et (d) plus de 2 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), d'au moins un silane fonctionnel Elle concerne également un procédé de fabrication de produits isolants à base de laine minérale utilisant une telle composition de liant et des produits isolants obtenus par un tel procédé.
Description
COMPOSITION DE LIANT POUR LAINE MINERALE
La présente invention concerne une composition aqueuse de liant destinée à la fabrication de produits isolants à base de laine minérale, en particulier de laine de verre ou de roche, contenant des sucres hydrogénés, au moins un acide polycarboxylique, et l’association de polyéthylèneimine et d’une quantité assez importante d’un silane fonctionnel.
La fabrication de produits d’isolation à base de laine minérale comprend généralement une étape de fabrication des fibres de verre ou de roche par un procédé de centrifugation. Sur leur trajet entre le dispositif de centrifugation et le tapis de collecte des fibres, on vaporise sur les fibres encore chaudes une composition aqueuse d’encollage, également appelée liant, qui subit ensuite une réaction de thermodurcissement à des températures d’environ 200 °C.
Les résines phénoliques utilisées pendant plusieurs dizaines d’années en tant que liants sont remplacées de plus en plus par des produits issus de sources renouvelables et n’émettant pas, ou très peu, de formaldéhyde, composé considéré comme pouvant nuire à la santé humaine.
Il est ainsi connu, par exemple de US 2011/0223364, de lier des fibres minérales avec des compositions aqueuses de liant exemptes de formaldéhyde contenant, en tant que réactifs thermoréticulables, des hydrates de carbone et des acides polycarboxyliques.
Les compositions d’encollage à base de sucres réducteurs présentent toutefois l’inconvénient de donner lieu à des réactions de coloration (caramélisation, réaction de Maillard) qui rendent difficile, voire impossible, l’obtention de produits de couleur claire.
La Demanderesse a proposé dans ses demandes WO 2010/029266 et WO 2013/014399 des liants à base, non pas de sucres réducteurs, mais de sucres hydrogénés, également appelés alcools de sucres ou alditols. Ces polyols ont une stabilité thermique considérablement plus élevée que les sucres réducteurs et ne donnent pas lieu aux réactions de Maillard et/ou de caramélisation.
-2Les produits d’isolation à base de laine minérale et de cette nouvelle génération de liants « verts », sont toutefois relativement hygroscopiques et conservent moins bien leurs propriétés mécaniques au cours du temps que les produits plus colorés fabriqués avec des sucres réducteurs. On constate en particulier une perte indésirable de la rigidité des panneaux au cours du temps.
Pour compenser la perte des propriétés mécaniques après une certaine période de vieillissement de ces produits d’isolation, il est généralement nécessaire d’augmenter la proportion de liant d’environ 10 à 20 %, ce qui augmente non seulement le coût du produit final mais altère également sa réaction au feu.
Au cours de ses recherches visant à améliorer les propriétés mécaniques des produits d’isolation à base de laine minérale encollée avec des liants « incolores » ou peu colorés, c’est-à-dire fabriqués à partir de sucres hydrogénés, la Demanderesse avait constaté avec surprise que certains composés, connus en tant qu’agents de couplage, conduisaient à une amélioration significative des propriétés mécaniques des produits d’isolation obtenus, à condition d’être utilisés à des concentrations supérieures à celles nécessaires à leur fonctionnement en tant qu’agent de couplage.
L’utilisation de concentrations importantes d’époxysilanes dans des compositions de liant pour laine minérale à base de sucres hydrogénés fait ainsi l’objet de la demande internationale WO2015/132518 au nom de la Demanderesse.
En poursuivant ses recherches dans ce domaine, la Demanderesse a fait une autre découverte surprenante qui a permis d’améliorer encore davantage les propriétés mécaniques des produits, en particulier la rigidité de panneaux de laine minérale, avant et après vieillissement naturel ou accéléré.
La Demanderesse a ainsi constaté qu’en associant des quantités relativement faibles de polyéthylèneimine (PEI) à des concentrations importantes d’un silane fonctionnel, la rigidité des panneaux de laine
-3minérale liée par des liants à base de sucres hydrogénés était fortement augmentée non seulement en sortie de fabrication, mais également au bout de plusieurs mois de vieillissement dans les conditions normales d’utilisation ou encore après un test de vieillissement accéléré (test « Florida », décrit plus en détail ci-après).
La présente invention a par conséquent pour objet une composition aqueuse de liant pour la fabrication de produits isolants à base de laine minérale, comprenant (a) un glucide choisi parmi les sucres réducteurs, les sucres nonréducteurs, les sucres hydrogénés et un mélange de ceux-ci, la proportion de sucres hydrogénés dans le glucide étant comprise entre 25 et 100 % en poids, (b) au moins un acide polycarboxylique monomère ou un sel ou anhydride d’un tel acide, (c) de 0,05 % à 1,0 % en poids, de préférence de 0,10 % à 0,8 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), de polyethylèneimine (PEI), et (d) plus de 2 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), d’au moins un silane fonctionnel
Elle a également pour objet un procédé de fabrication d’un produit isolant à base de laine minérale comprenant
- l’application d’une telle composition aqueuse de liant sur des fibres minérales,
- la formation d’un assemblage de fibres minérales encollées avec ladite composition de liant, et
- le chauffage de l’assemblage de fibres minérales encollées obtenu jusqu’à durcissement de la composition d’encollage, ainsi qu’un produit isolant à base de laine minérale obtenu par un tel procédé.
Dans la présente invention le terme « glucide >> a un sens plus large qu’usuellement, car il englobe non seulement les glucides au sens stricte, c'est-à-dire des hydrates de carbone (oses et osides) de formule
-4Cn(H2O)p où p = n (oses) ou p = n-1 (osides), mais également les produits d’hydrogénation de ces hydrates de carbone où le groupe aldéhyde ou cétone a été réduit en alcool.
Ces produits d’hydrogénation sont également appelés alditols, alcools de sucres ou sucres hydrogénés. Le terme glucide englobe également les sucres non-réducteurs constitués de plusieurs motifs glucidiques dont les carbones porteurs de l’hydroxyle hémi-acétalique sont impliqués dans les liaisons osidiques reliant les motifs entre eux.
Le composant (a) de la composition aqueuse de liant selon l’invention peut être constitué uniquement de sucres hydrogénés et être exempt de sucres réducteurs ou et de sucres non-réducteurs. Ce mode de réalisation est intéressant car il conduit à des produits isolants particulièrement peu colorés. En effet, l’absence de sucres réducteurs et non-réducteurs empêche des réactions de brunissement telles que la réaction de Maillard et la caramélisation.
Par « sucres hydrogénés » on entend l’ensemble des produits résultant de la réduction d’un saccharide (hydrate de carbone) choisi parmi les monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides et polysaccharides et des mélanges de ces produits. Ils peuvent être obtenus par hydrogénation catalytique de saccharides. L’hydrogénation peut être effectuée par des méthodes connues opérant dans des conditions de pression d’hydrogène et de température élevées, en présence d’un catalyseur choisi parmi les éléments des groupes IB, HB, IVB, VI, VII et VIII du tableau périodique des éléments, de préférence dans le groupe comprenant le nickel, le platine, le palladium, le cobalt, le molybdène et leurs mélanges. Le catalyseur préféré est le nickel de Raney.
Le ou les sucres hydrogénés sont choisis de préférence dans le groupe constitué de l’érythritol, l’arabitol, le xylitol, le sorbitol, le mannitol, l’iditol, le maltitol, l’isomaltitol, le lactitol, le cellobitol, le palatinitol, le maltotritol, et les produits d’hydrogénation d’hydrolysats d’amidon ou
-5d’hydrolysats de matières ligno-cellulosiques, notamment d’hémicellulose, en particulier de xylanes et xyloglucanes.
Les hydrolysats d’amidon sont des produits obtenus par hydrolyse enzymatique et/ou acide d’amidon. Le degré d’hydrolyse est généralement caractérisé par l’équivalent dextrose (DE), défini par la relation suivante :
/ nombre de liaisons glycosidiques rompues \
DE = 100 x ---------------------------------------------\ nombre de liaisons glycosidiques dans l'amidon initial /
Les hydrolysats d’amidon préférés ont, avant l’étape d’hydrogénation, un DE compris entre 5 et 99, et avantageusement entre 10 et 80.
Les sucres hydrogénés sont avantageusement choisis parmi les produits d’hydrogénation de monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides et leur mélanges.
On utilisera de manière particulièrement préférée un sucre hydrogéné choisi dans le groupe formé par le maltitol, le xylitol, le sorbitol et les produits d’hydrogénation d’hydrolysats d’amidon ou d’hydrolysats de matières lignocellulosiques.
De préférence, le sucre hydrogéné ou le mélange de sucres hydrogénés est constitué majoritairement, c’est-à-dire à plus de 50 % en poids, de maltitol.
Dans un autre mode de réalisation, le composant glucidique (a) peut contenir jusqu’à 75 % en poids d’un ou plusieurs sucres réducteurs et/ou non-réducteurs, en plus du ou des sucres hydrogénés qui représentent au moins 25 % en poids du composant (a). Les produits isolants à base de laine minérale obtenus avec une composition d’encollage présentant une certaine teneur en sucres réducteurs ou non-réducteurs sont relativement plus colorés, mais peuvent présenter un réel intérêt économique lié au faible coût des sucres réducteurs ou de mélanges de sucres incomplètement hydrogénés.
La teneur en sucres hydrogénés du glucide (composant (a)) est de préférence au moins égale à 30 % en poids, en particulier au moins égale à
-650 % en poids, et idéalement au moins égale à 70 % en poids, voire plus de 95 % en poids.
Les sucres réducteurs englobent les oses (monosaccharides) et osides (disaccharides et oligosaccharides).
A titre d’exemples de monosaccharides, on peut citer ceux comportant de 3 à 8 atomes de carbone, de préférence les aldoses et avantageusement les aldoses contenant 5 à 7 atomes de carbone. Les aldoses particulièrement préférés sont les aldoses naturels (appartenant à la série D), notamment les hexoses tels que le glucose, le mannose et le galactose.
Le lactose ou le maltose sont des exemples de disaccharides utilisables en tant que sucre réducteur.
Les sucres réducteurs sont de préférence choisis parmi les monosaccharides tels que le glucose, le galactose, le mannose et le fructose, les disacharides tels que le lactose, le maltose, l’isomaltose et le cellobiose, et les hydrolysats d’amidon ou de matières lignocellulosiques décrits ci-dessus. On utilisera de préférence le glucose et le fructose, en particulier le glucose.
Les sucres non-réducteurs sont de préférence les diholosides tels que le tréhalose, les isotréhaloses, le saccharose et les isosaccharoses. Le saccharose est particulièrement préféré.
Le composant (a), à savoir le glucide constitué de sucres hydrogénés mélangés éventuellement à des sucres réducteurs et/ou des sucres nonréducteurs, représente avantageusement de 30 à 70 % en poids, de préférence de 40 à 60 % en poids des matières sèches de la composition d’encollage.
Le ou les acides polycarboxyliques utilisés dans la présente invention en tant que composant (b) sont des acides polycarboxyliques monomères. Autrement dit, dans la présente invention ce terme n’englobe pas les polymères obtenus par polymérisation d’acides carboxyliques monomères, tels que les homopolymères ou copolymères d’acide acrylique ou d’acide méthacrylique.
-7On utilisera de préférence des acides polycarboxyliques choisis dans le groupe constitué des acides dicarboxyliques, acides tricarboxyliques et acides tétracarboxyliques.
L’acide polycarboxylique peut être choisi par exemple dans le groupe d’acides suivants : acide oxalique, acide malonique, acide succinique, acide glutarique, acide adipique, acide pimélique, acide subérique, acide azelaïque, acide sébacique, acide malique, acide tartrique, acide tartronique, acide aspartique, acide glutamique, acide fumarique, acide itaconique, acide maléique, acide traumatique, acide camphorique, acide phtalique, acide tétrahydrophtalique, acide chlorendique, acide isophtalique, acide téréphtalique, acide mésaconique, acide citraconique, acide citrique, acide tricarballylique, acide 1,2,4-butanetricarboxylique, acide aconitique, acide hémimellitique, acide triméllitique, acide trimésique, acide 1,2,3,4butanetétracarboxylique et acide pyroméllitique.
L’acide polycarboxylique particulièrement préféré est l’acide citrique.
Le composant (b), à savoir l’acide polycarboxylique monomère, représente avantageusement de 30 à 70 % en poids, de préférence de 40 à 60 % en poids des matières sèches de la composition de liant de la présente invention.
La Demanderesse a fait de nombreux essais pour déterminer les proportions respectives de glucide et d’acide polycarboxylique qui aboutissent à des liants qui, à l’état réticulé, confèrent au produit final de laine de verre les meilleures propriétés mécaniques, notamment après vieillissement accéléré dans des conditions humides.
Ces essais ont montré que le rapport en poids glucide/acide polycarboxylique est avantageusement compris entre 25/75 et 55/45, de préférence entre 30/70 et 50/50.
La composition d’encollage de la présente invention contient plus de 2 % en poids d’au moins un silane fonctionnel ou fonctionnalisé, avantageusement de 2,1 à 7 % en poids, de préférence de 2,3 à 6 % en poids, en particulier de 2,5 à 5 % en poids et idéalement de 3 à 4,5 % en
-8poids d’au moins un silane fonctionnalisé, ces pourcentages étant exprimés par rapport à la somme des composants (a) et (b) décrits ci-avant.
Il est largement connu et très courant d’utiliser des silanes fonctionnels en tant qu’agents de couplage pour améliorer l’adhésion de matériaux organiques sur des surfaces minérales telles que le verre. Un silane fonctionnel comporte généralement au moins une, de préférence deux ou trois fonctions alcoxysilyle hydrolysables, capables de réagir avec les groupes silanol à la surface du verre, et au moins une fonction réactive (par exemple oxirane, amine, vinyle) portée par un groupe organique non hydrolysable, lié à l’atome de silicium par une liaison Si-C. Cette fonction organique est généralement choisie de manière à pouvoir réagir avec la phase organique.
Pour obtenir un effet de couplage liant-verre satisfaisant, il est généralement suffisant d’ajouter moins de 1 % en poids (de matières sèches) d’agent de couplage à la composition d’encollage.
Les agents de couplage les plus utilisés sont les aminosilanes. Ils sont relativement meilleur marché que les époxysilanes et présentent à pH neutre une stabilité chimique qui permet de préparer les compositions d’encollage longtemps par avance.
Dans la présente invention, le silane fonctionnel est de préférence choisi parmi les époxysilanes.
Les silanes fonctionnels de la présente invention, qui sont de préférence des époxysilanes, peuvent être des trialcoxysilanes ou des dialcoxysilanes, c’est-à-dire ils peuvent comporter deux ou trois fonctions alcoxy hydrolysables en fonctions silanol. Les trialcoxysilanes sont particulièrement préférés.
Les groupes alcoxy sont avantageusement des groupes méthoxy ou éthoxy, les groupes méthoxy, plus réactifs que les groupes éthoxy, étant préférés.
L’époxysilane est avantageusement choisi dans le groupe formé par les 3-glycidyloxypropyl-trialcoxysilanes, 3-glycidoxypropyldialcoxyalkyl
-9silanes, époxycyclohexyléthyltrialcoxysilanes, époxycyclohexyléthyldialcoxyalkylsilanes.
Les 3-glycidyloxypropyl-trialcoxysilanes sont particulièrement intéressants et parmi ceux-ci la Demanderesse a obtenu d’excellents résultats avec le (3-glycidyloxypropyl)-triméthoxysilane, commercialisé par exemple sous la dénomination GLYMO par la société Evonik, sous la dénomination Z-6040 par la société Dow Corning ou encore sous la référence CFS-6040 par la société Xiameter.
La composition aqueuse de liant de la présente invention contient en outre une faible quantité, c’est-à-dire de 0,05 à 1,0 % en poids, de polyethylèneimine (PEI). Ce polymère existe sous une forme linéaire et sous une forme ramifiée. On utilisera de préférence la forme ramifiée, obtenue par polymérisation d’éthylèneimine, qui comporte à la fois des fonctions amine primaire (environ 25 %), des fonctions amine secondaire (environ 50 %) et des fonctions amine tertiaire (environ 25 %). Les PEI utilisables dans la présente invention peuvent avoir des masses moléculaires moyennes en poids allant de quelques centaines de daltons à plusieurs centaines de milliers de daltons.
La PEI présente de préférence une masse moléculaire moyenne en masse, déterminée par diffusion dynamique de la lumière, comprise entre 300 et 1 000 000, de préférence entre 500 et 100 000 et en particulier entre 700 et 10 000.
La PEI est un polyélectrolyte cationique avec une densité élevée de charges positives réparties tout le long de la chaîne macromoléculaire. Dans une solution aqueuse de pH neutre ou acide la chaîne macromoléculaire de la PEI est fortement déployée et la viscosité de la solution augmente fortement avec la masse moléculaire de la PEI.
Il convient par conséquent de veiller à ce que la masse moléculaire de la PEI soit adaptée à la concentration de PEI utilisée : plus la concentration est faible, plus la masse peut être importante et, inversement, plus la concentration de PEI s’approche de la valeur maximale de 1,0 %, plus il
- 10convient de choisir des masses plus faibles, de l’ordre de quelques centaines ou quelques milliers de daltons.
Dans les compositions de liant de la présente invention la quantité de PEI est significativement moins importante que la quantité de silane fonctionnel. La Demanderesse a en effet constaté au cours de plusieurs essais de fabrication de produits isolants à base de laine minérale, que l’ajout de concentrations importantes polyethylèneimine (3-10 % en poids) aux compositions de liant, aboutissait presque systématiquement à une dégradation des propriétés mécaniques des produits obtenus. Cette dégradation des propriétés mécaniques était d’autant plus importante que la masse moléculaire moyenne en poids de la PEI était faible (voir Tableau 1, Exemples comparatifs 1 - 7). Par contre, comme il sera montré ci-après dans les exemples (Tableau 2), une quantité faible de PEI en combinaison avec une quantité assez importante de silane fonctionnel aboutit à une amélioration significative des propriétés mécaniques et en particulier à une meilleure résistance au vieillissement des produits obtenus.
Au vu de ces résultats surprenants, le rapport en poids silane fonctionnel / PEI est avantageusement compris entre 3 et 60, de préférence entre 5 et 40, et en particulier entre 10 et 30.
Les compositions de liant de la présente invention contiennent en outre de préférence une quantité efficace d’un catalyseur capable d’accélérer la réaction d’estérification entre les groupes hydroxyle du composant (a) et les fonctions acide ou anhydride du composant (b).
Ce catalyseur est de préférence l’hypophosphite de sodium ou l’acide hypophosphoreux, qui sont utilisés par exemple en une quantité comprise entre 0,5 et 10 % en poids, de préférence entre 1,0 et 5 % en poids, rapporté au poids sec des composants (a) et (b). L’hypophosphite de sodium et l’acide correspondant sont en effet, à ce jour, les composés qui catalysent le plus efficacement le durcissement des monomères des composants (a) et (b) en liant thermodurci, insoluble dans l’eau.
- 11 Les compositions de liant de la présente invention contiennent en outre de préférence un ou plusieurs additifs connus, utilisés couramment dans le domaine technique des laines minérales. Ces additifs sont par exemple des additifs anti-poussières (huiles minérales) et des silicones qui ont pour fonction d’augmenter le caractère hydrophobe des produits d’isolation.
Les compositions de liant de la présente invention au moment où elles sont appliquées par pulvérisation sur les fibres minérales, immédiatement après la formation de ces dernières, sont des solutions assez diluées ayant une teneur en matières solides comprises entre environ 3 et 20 % en poids, de préférence entre 4 et 10 % en poids.
Pour l’obtention de produits de bonne qualité, il est nécessaire que la composition d’encollage présente une bonne aptitude à la pulvérisation et puisse se déposer sous forme d’un mince film à la surface des fibres afin de les lier efficacement. L’aptitude à la pulvérisation de la composition d’encollage est directement liée à la possibilité de diluer une composition de liant concentrée, avec une grande quantité d’eau. La composition d’encollage diluée doit être une solution, stable dans le temps, qui ne donne pas lieu à des phénomènes de démixtion.
On caractérise l’aptitude à la dilution par la « diluabilité » que l’on définit comme étant le volume d’eau déionisée qu’il est possible, à une température donnée, d’ajouter à une unité de volume de la composition de liant avant l’apparition d’un trouble permanent. On considère généralement qu’une composition de liant est apte à être utilisée en tant qu’encollage lorsque sa diluabilité est égale ou supérieure à 1000 %, à 20°C.
Les compositions de liant de la présente invention ont une diluabilité supérieure à 2000 %.
Lorsque le silane fonctionnel est un époxysilane, il n’est pas recommandé de préparer la composition de liant par simple dilution d’une composition de liant concentrée, préparée longtemps par avance et contenant les composants (a) à (d).
- 12 Les époxysilanes en solution dans l’eau ont en effet une durée de vie insuffisante pour permettre le stockage de la solution pendant plusieurs jours, voire plusieurs semaines ou mois. Lorsque le silane fonctionnel est un époxysilane, il est par conséquent fortement recommandé de préparer la composition de liant par ajout d’un époxysilane à une composition aqueuse contenant tous les autres ingrédients, à savoir de l’eau, le glucide (composant (a)), l’acide polycarboxylique (composant (b)), la polyéthyleneimine (composant (c)) et les éventuels additifs.
Dans un mode de réalisation préféré, le procédé de fabrication selon l’invention comprend donc en outre une étape préalable de préparation de la composition aqueuse de liant comprenant l’ajout de plus de 2 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), d’un époxysilane, à une composition aqueuse de liant comprenant (a) au moins glucide choisi parmi les sucres réducteurs, les sucres nonréducteurs, les sucres hydrogénés et un mélange de ceux-ci, la proportion de sucres hydrogénés dans le glucide étant comprise entre 25 et 100 % en poids, (b) au moins un acide polycarboxylique monomère ou un sel ou anhydride d’un tel acide, (c) de 0,05 à 1,0 % en poids, de préférence de 0,10 à 0,8 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), de polyethylèneimine (PEI).
Cette étape préalable est de préférence mise en oeuvre peu de temps avant l’application de la composition de liant sur les fibres minérales, de préférence moins de 4 heures, en particulier moins de 1 heure avant l’étape d’application de la composition sur les fibres minérales.
De manière classique, la composition de liant est projetée par pulvérisation sur les fibres minérales à la sortie du dispositif centrifuge et avant leur collecte sur l’organe récepteur sous la forme d’une nappe de fibres. Cet assemblage ou nappe de fibres encollées est ensuite traité à une température permettant la réticulation des ingrédients constituant le liant et la formation d’un liant insoluble et infusible.
- 13 La quantité de liant appliquée est telle que, après l’étape de réticulation par chauffage, le produit isolant présente une perte par combustion (LOI, de l’anglais loss on ignition) comprise entre 1 % et 20 %, de préférence entre 1 % et 7 % en poids.
Le chauffage de l’assemblage de fibres se fait à une température comprise entre 120 et 250 °C, de préférence entre 180 °C et 230 °C, en particulier entre 200 °C et 220 °C, pendant une durée de chauffage comprise entre 1 et 10 minutes, de préférence dans une enceinte thermorégulée, telle qu’une étuve à air forcé dans laquelle on introduit dans un ou plusieurs compartiments des gaz chauds de température contrôlée, une étuve à microondes, ou un moule chauffant à circulation de fluide ou résistance chauffante.
Les produits isolants à base de laine minérale de l’invention se présentent de préférence sous forme de matelas présentant une masse q q volumique comprise entre 5 et 40 kg/m , de preference entre 10 et 35 kg/m . Ils ont une épaisseur (déterminée selon EN 823) comprise entre 2 et 20 cm, de préférence entre 5 et 15 cm.
Les exemples qui suivent permettent d’illustrer l’invention sans toutefois la limiter.
Dans ces exemples, on mesure :
- La résistance en traction, selon la norme ASTM C 686-71 T, sur un échantillon découpé par estampage dans le produit isolant. L’échantillon a la forme d’un tore de 122 mm de longueur, 46 mm de largeur, un rayon de courbure de la découpe du bord extérieur égal à 38 mm et un rayon de courbure de la découpe du bord intérieur égal à 12,5 mm.
L’échantillon est disposé entre deux mandrins cylindriques d’une machine d’essais dont l’un est mobile et se déplace à vitesse constante. On mesure la force F (en Newton) au moment de la rupture de l’échantillon et on calcule la résistance en traction RT définie par le rapport de la force de rupture F à la masse de l’échantillon (en Newton/gramme).
- 14La résistance en traction est déterminée immédiatement après la fabrication (RTf).
- La rigidité du panneau lorsque ce dernier est positionné horizontalement entre deux panneaux verticaux en bois (chevrons). Ce test vise à simuler le comportement des panneaux lorsqu’ils sont installés sous des toitures entre des chevrons. Un panneau de 1200 mm est coupé puis positionné horizontalement sur et entre deux chevrons éloignés de 1190 mm. Si le panneau tient sous son propre poids, le test est arrêté. Si le panneau ploie sous son propre poids, la distance entre les chevrons et la longueur du panneau sont diminuées, par pas de 100 mm, jusqu’à ce que le panneau parvienne à tenir entre les chevrons. Le résultat du test de rigidité est la distance maximale (en mm) entre les chevrons pour laquelle le panneau tient horizontalement, sans ployer sous son poids. Chaque mesure est réalisée sur 3 panneaux.
Le test de rigidité est réalisé après un vieillissement naturel de 3 mois ou après un test de vieillissement accéléré, appelé test « Florida >>.
Le test « Florida >> est effectué dans les conditions suivantes : le produit est placé dans une enceinte climatique et soumis à 21 cycles d’une succession de 4 environnements (température et d’humidité relative) tels que définis dans le tableau ci-après, les changements de température et d’humidité relative étant opérés à vitesses constantes.
| Cycle | Temps (heure) | Température (°C) | Humidité relative (%) |
| 1 | 0 à 1,5 | 25 à 55 | 80 à 95 |
| 2 | 1,5 à 4 | 55 | 95 à 35 |
| 3 | 4à6 | 55 | 35 à 20 |
| 4 | 6 à8 | 55 à 25 | 20 à 80 |
- 15Exemples Comparatifs 1-7
On prépare des compositions d’encollage comprenant les constituants figurant dans le Tableau 1 exprimé en parts pondérales.
Tableau 1
| Ex. 1 | Ex. 2 | Ex. 3 | Ex. 4 | Ex. 5 | Ex. 6 | Ex. 7 | |
| Maltitol | 48 | 48 | 48 | 48 | 48 | 48 | 48 |
| Acide citrique | 52 | 52 | 52 | 52 | 52 | 52 | 52 |
| Hypophosphite de sodium | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Polyethyleneimine (Lupasol P)<1> | 0 | 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Polyethyleneimine (Lupasol WF)<2> | 0 | 0 | 10 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Polyethyleneimine (Lupasol FG)<3> | 0 | 0 | 0 | 10 | 3 | 3 | 0 |
| Huile minérale (HW88, SASOL) | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| Epoxysilane (GLYMO®, Evonik) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 |
| Aminosilane (A1100, Momentive) | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0 | 0 |
| Silicone (BS5137, WACKER) | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Résistance en traction (N/g) Avant vieillissement (RTf) | 5,00 | 4,19 | 3,86 | 3,75 | 4,75 | 5,36 | 5,86 |
commercialisé par BASF (Mw ~ 750 000 g.mol-1) <2> commercialisé par BASF (Mw ~ 25 000 g.mol-1) <3> commercialisé par BASF (Mw ~ 800 g.mol-1)
Les compositions d’encollage sont préparées par introduction des ίο constituants dans un récipient contenant de l’eau, sous une agitation vigoureuse. L’extrait sec des compositions d’encollage est égal à 5 % en poids.
Les compositions d’encollage sont utilisées pour former des produits d’isolation à base de laine de verre.
On fabrique de la laine de verre par la technique de la centrifugation interne dans laquelle la composition de verre fondu est transformée en fibres au moyen d’un outil dénommé assiette de centrifugation, comprenant un panier formant la chambre de réception de la composition fondue et une
- 16bande périphérique percée d’une multitude d’orifices : l’assiette est mue en rotation autour de son axe de symétrie disposé verticalement, la composition est éjectée à travers les orifices sous l’effet de la force centrifuge et la matière s’échappant des orifices est étirée en fibres avec l’assistance d’un courant de gaz d’étirage. La finesse des fibres de verre, mesurée par la valeur de leur micronaire dans les conditions décrites dans la demande de brevet FR 2 840071, est égale à 15,8 l/min. Il existe une relation de correspondance entre la valeur micronaire et le diamètre moyen des fibres.
De façon classique, une couronne de pulvérisation d’encollage est disposée au-dessous de l’assiette de fibrage de façon à répartir régulièrement la composition d’encollage sur la laine de verre venant d’être formée.
La laine minérale ainsi encollée est collectée sur un convoyeur à bande ayant une largeur de 2,40 m, équipé de caissons d’aspiration internes qui retiennent la laine minérale sous forme d’un feutre ou d’une nappe à la surface du convoyeur. Le convoyeur passe ensuite dans une étuve maintenue à 240°C où les constituants de l’encollage polymérisent pour former un liant. Le produit isolant obtenu présente une masse volumique o
égalé a 27,0 kg/m , une épaisseur d’environ 80 mm immédiatement apres la fabrication et une perte au feu égale à 5,5 %.
Les propriétés des produits d’isolation obtenus sont données dans le Tableau 1.
L’aminosilane est utilisé ici en tant qu’agent de couplage en une concentration inférieure à celle revendiquée.
On constate que les produits d’isolation fabriqués avec les compositions d’encollage des exemples 2, 3 et 4 - contenant 0,5 parts d’aminosilane et 10 parts de PEI présentent une moins bonne résistance en traction que ceux préparés avec la formulation de référence de exemple 1 exempte de PEI.
La dégradation des propriétés de résistance en traction est d’autant plus importante que la masse moléculaire moyenne en poids de la PEI est faible. Lorsque la concentration en polyethyleneimine est réduite à 3 parts
- 17pour 100 parts de maltitol+acide citrique (exemple 5), la résistance en traction est significativement meilleure que pour 10 parts de PEI. Elle est toutefois toujours moins bonne que celle du produit d’isolation obtenu sans PEI.
Enfin lorsque la PEI est ajoutée à une composition de liant contenant une forte concentration d’epoxysilane (exemple 6), la résistance en traction avant vieillissement atteint une valeur correcte, de 5,35 N/g, qui reste cependant inférieure à celle de 5,86 N/g obtenue pour un produit lié par une composition équivalente exempte de PEI (exemple 7).
ίο Ces résultats montrent que la PEI réduit de manière significative les propriétés mécaniques des produits d’isolation, que ce soit en l’absence ou présence de quantités importante d’époxysilane.
Au vu des résultats décevants du Tableau 1, la Demanderesse a été très surprise de constater que la PEI, utilisée en plus faibles quantités, avait 15 au contraire un effet favorable sur les propriétés mécaniques des produits d’isolation à base de laine minérale.
- 18Exemple comparatif 8 et exemples selon l’invention 9 A 11
On procède dans les conditions décrites pour les exemples 1 à 7 ciavant, modifiées en ce que les compositions de liant renferment les constituants décrits dans le Tableau 2 en les proportions exprimées en parts 5 pondérales.
Tableau 2
| Ex. 8 | Ex. 9 | Ex. 10 | Ex. 11 | |
| Maltitol | 48 | 48 | 48 | 48 |
| Acide citrique | 52 | 52 | 52 | 52 |
| Hypophosphite de sodium | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Polyethyleneimine (Lupasol FG) | 0 | 0,1 | 0,5 | 1 |
| Huile minérale (HW88, SASOL) | 7 | 7 | 7 | 7 |
| Epoxysilane (GLYMO®, Evonik) | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Silicone (BS5137, WACKER) | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| Résistance en traction (N/g) | ||||
| Avant vieillissement (RTf) | 6,44 | 6,76 | 6,79 | 6,58 |
| Rigidité (mm) | ||||
| Après vieillissement naturel 3 mois | 1100 | 1133 | 1200 | 1067 |
| Après vieillissement « test Florida » | 800 | 733 | 933 | 933 |
L’exemple 8 est un exemple comparatif correspondant à l’état de la technique WO2015/132518 mentionné en introduction de la présente ίο demande. Il contient une quantité important de silane fonctionnel, mais est exempt de PEI.
Les exemples 9 à 11 selon l’invention montrent que l’ajout de 0,1 part, de 0,5 part et de 1 part de PEI à la composition comparative de l’exemple 8 augmente de manière significative la résistance en traction des produits 15 obtenus, et également la rigidité après 3 mois de vieillissement naturel ou après vieillissement accéléré.
Ces résultats sont d’autant plus inattendus que la PEI utilisée est une PEI de faible masse (800 g.mol-1) pour laquelle la série d’exemples comparatifs (exemples 1 - 4) avait montré qu’elle dégradait le plus les
- 19propriétés mécaniques lorsqu’elle était utilisée à forte concentration (10 parts).
Il semble y avoir une concentration optimale de PEI, proche de 0,5 part, qui donne de meilleurs résultats qu’à 0,1 % et de 1,0 %.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Composition aqueuse de liant pour la fabrication de produits isolants à base de laine minérale, comprenant (a) au moins glucide choisi parmi les sucres réducteurs, les sucres nonréducteurs, les sucres hydrogénés et un mélange de ceux-ci, la proportion de sucres hydrogénés dans le glucide étant comprise entre 25 et 100 % en poids, (b) au moins un acide polycarboxylique monomère ou un sel ou anhydride d’un tel acide, (c) de 0,05 % à 1,0 % en poids, de préférence de 0,10 % à 0,8 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), de polyethylèneimine (PEI), (d) plus de 2 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), d’au moins un silane fonctionnel.
- 2. Composition aqueuse de liant selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le rapport en poids silane fonctionnel / PEI est compris entre 3 et 60, de préférence entre 5 et 40, en particulier entre 10 et 30
- 3. Composition aqueuse de liant selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait qu’elle contient de 2,1 à 7 % en poids, de préférence de 2,3 à 6 % en poids et en particulier de 2,5 à 5 % en poids et idéalement de 3 à 4,5 % en poids d’au moins un silane fonctionnel, ces pourcentages étant exprimés par rapport à la somme des composants (a) et (b).
- 4. Composition aqueuse de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le silane fonctionnel est un époxysilane.
- 5. Composition aqueuse de liant selon la revendication 4, caractérisée par le fait que l’époxysilane est choisi parmi les 3glycidoxypropyl-trialcoxysilanes, 3-glycidoxypropyl-dialcoxy-alkylsilanes, époxycyclohexyl-éthyltrialcoxysilanes, époxycyclohexyléthyldialcoxyalkylsilanes, de préférence les 3-glycidoxypropyl-trialcoxysilanes.
- 6. Composition aqueuse de liant selon l’une quelconque des-21 revendications précédentes, caractérisée par le fait que le glucide contient au moins 50 % en poids, de préférence au moins 70 % en poids, et en particulier au moins 95 % en poids de sucres hydrogénés.
- 7. Composition aqueuse de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le glucide est exempt de sucres réducteurs et/ou de sucres non-réducteurs.
- 8. Composition aqueuse de liant selon l’une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le sucre hydrogéné est choisi parmi les produits d’hydrogénation des monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides et leur mélanges.
- 9. Composition aqueuse de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le sucre hydrogéné est choisi dans le groupe formé de sorbitol, xylitol et maltitol.
- 10. Composition aqueuse d’encollage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que le sucre hydrogéné est un produit d’hydrogénation d’un hydrolysat d’amidon ou d’un hydrolysat de matières lignocellulosiques.
- 11. Composition aqueuse d’encollage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l’acide polycarboxylique est l’acide citrique.
- 12. Composition aqueuse de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu’elle contient en outre de 0,5 à 10 % en poids, de préférence de 1,0 à 5 % en poids, rapporté au poids sec des composants (a) et (b), d’un catalyseur d’estérification, de préférence un catalyseur choisi parmi l’hypophosphite de sodium et l’acide hypophosphoreux.
- 13. Procédé de fabrication d’un produit isolant à base de laine minérale, comprenant- l’application d’une composition aqueuse de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes sur des fibres minérales,- la formation d’un assemblage de fibres minérales encollées avec ladite composition de liant, et- le chauffage de l’assemblage de fibres minérales encollées obtenu jusqu’à durcissement de la composition d’encollage.
- 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu’il comprend en outre une étape préalable de préparation de la composition aqueuse de liant, mise en œuvre moins de 4 heures, en particulier moins de 1 heure avant l’étape d’application sur les fibres, ladite étape comprenant 5 l’ajout de plus de 2 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), d’époxysilane, à une composition aqueuse de liant comprenant (a) un glucide choisi parmi les sucres réducteurs, les sucres nonréducteurs, les sucres hydrogénés et des mélanges de ceux-ci, la proportion de sucres hydrogénés dans le glucide étant comprise entre 10 25 et 100 % en poids, (b) au moins un acide polycarboxylique monomère ou un sel ou anhydride d'untel acide, (c) de 0,1 à 1,0 % en poids, de préférence de 0,15 à 0,7 % en poids, rapporté à la somme des composants (a) et (b), de polyéthylèneimine
- 15 (PEI).15. Produit isolant à base de laine minérale obtenu par le procédé selon l’une des revendications 13 ou 14.
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