FR3112351A1 - Procédé de fabrication d’un objet moulé en fibres de cellulose - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un objet moulé en fibres de cellulose, comprenant successivement :(a) l’utilisation d’un moule définissant une forme intérieure ou extérieure de l’objet, ledit moule comprenant une paroi filtrante (11) en liaison fluidique avec une source de vide,(b) l’immersion du moule dans une première suspension (2) de fibres de cellulose de sorte à former par aspiration par la source de vide une première couche (20) de fibres de cellulose sur la paroi filtrante (11) du moule,(c) l’immersion du moule dans une seconde suspension (3) cellulosique ou hémicellulosique de sorte à former par aspiration par la source de vide une seconde couche (30) cellulosique ou hémicellulosique sur la première couche (20). Figure pour l’abrégé : Fig 5
Description
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un objet moulé en fibres de cellulose.
Etat de la technique
Les contraintes environnementales et réglementaires poussent les industriels à rechercher des solutions alternatives aux plastiques pour la fabrication de contenants, notamment à usage alimentaire.
La production de ces objets peut se faire par moulage de fibres de cellulose, pour autant que l’on trouve une solution efficace pour conférer à ce matériau des propriétés barrières suffisantes notamment aux gaz, aux graisses et à l’eau.
Les solutions connues actuellement pour assurer des propriétés barrières pour des objets en cellulose moulée sont :
- l’ajout d’additifs, tels que l’acide perfluorooctanoïque (souvent désigné par l’acronyme PFOA), pour former une barrière aux graisses ;
- l’application d’un film plastique sur la face intérieure du contenant pour former une barrière aux graisses, aux gaz et à l’eau.
- l’application d’un film plastique sur la face intérieure du contenant pour former une barrière aux graisses, aux gaz et à l’eau.
Cependant, les additifs tels que le PFOA, qui sont toxiques et persistants, devraient à terme être interdits pour des raisons environnementales. Par ailleurs, les films plastiques, non séparables de la partie en cellulose, pénalisent la biodégradabilité de l’objet.
Par ailleurs, dans certaines applications, qu’elles concernent des contenants ou d’autres types d’objets, il peut être nécessaire d’optimiser les propriétés mécaniques du matériau cellulosique ou réduire le coût de l’objet.
Il subsiste donc d’une manière générale le besoin de fabriquer un objet moulé en fibres de cellulose présentant des propriétés optimisées.
Brève description de l’invention
Un but de l’invention est donc de concevoir un procédé de fabrication d’un objet moulé en fibres de cellulose qui permette d’ajuster les propriétés de l’objet, par exemple sa rigidité, sa densité, sa masse, ou encore des propriétés barrière, en fonction de contraintes techniques et/ou économiques.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un objet moulé en fibres de cellulose, comprenant successivement :
(a) l’utilisation d’un moule définissant une forme intérieure ou extérieure de l’objet, ledit moule comprenant une paroi filtrante en liaison fluidique avec une source de vide,
(b) l’immersion du moule dans une première suspension de fibres de cellulose de sorte à former par aspiration par la source de vide une première couche de fibres de cellulose sur la paroi filtrante du moule,
(c) l’immersion du moule dans une seconde suspension cellulosique ou hémicellulosique de sorte à former par aspiration par la source de vide une seconde couche cellulosique ou hémicellulosique sur la première couche.
(a) l’utilisation d’un moule définissant une forme intérieure ou extérieure de l’objet, ledit moule comprenant une paroi filtrante en liaison fluidique avec une source de vide,
(b) l’immersion du moule dans une première suspension de fibres de cellulose de sorte à former par aspiration par la source de vide une première couche de fibres de cellulose sur la paroi filtrante du moule,
(c) l’immersion du moule dans une seconde suspension cellulosique ou hémicellulosique de sorte à former par aspiration par la source de vide une seconde couche cellulosique ou hémicellulosique sur la première couche.
La stratification d’au moins deux couches cellulosiques et/ou hémicellulosiques pour former la paroi de l’objet permet d’optimiser les propriétés de l’objet en fonction de contraintes techniques et/ou économiques.
Par ailleurs, elle permet de former l’objet entièrement en matériaux d’origine naturelle, ce qui le rend aisément biodégradable.
La ou les couches cellulosiques ou hémicellulosiques additionnelles présentent l’avantage de pouvoir être formées par le même procédé que le procédé conventionnel de moulage de cellulose, dans lequel l’objet est constitué d’une seule couche de fibres de cellulose. L’application de la ou lesdites couches cellulosiques et/ou hémicellulosiques additionnelles ne nécessite donc pas de modifier l’équipement de moulage, mais requiert simplement une étape d’immersion de l’objet dans une suspension cellulosique ou hémicellulosique respective et le séchage de la couche ainsi déposée.
Par conséquent, le procédé selon l’invention répond aux contraintes techniques, économiques et environnementales tout en s’intégrant aisément aux installations existantes de fabrication d’objets moulés en fibres de cellulose.
Dans certains modes de réalisation, la seconde suspension est une suspension de fibres cellulosiques différente de la première suspension.
De manière particulièrement avantageuse, le grammage de chaque couche de fibres de cellulose est compris entre 10 et 1000 g/m2.
Par ailleurs, la teneur en matière sèche de la couche de fibres de cellulose obtenue à l’issue de l’étape (b) peut être comprise entre 10 et 50%.
De préférence, la concentration en fibres de cellulose de la suspension (2) utilisée à l’étape (b) est comprise entre 2 et 20 g/l.
Dans certains modes de réalisation, la seconde suspension est choisie parmi : une suspension de microfibrilles de cellulose, une pâte de cellulose, une solution de cellulose dissoute et une solution d’hémicellulose dissoute, de sorte que la seconde couche formée à l’étape (c) soit un film barrière aux graisses et aux gaz.
L’étape (b) peut éventuellement être répétée au moins une fois de sorte à former une pluralité de couches de fibres de cellulose avant l’étape (c).
Selon un mode de réalisation préféré, la seconde suspension est une suspension de microfibrilles de cellulose présentant une concentration comprise entre 2 et 10 g/l.
Le film de microfibrilles de cellulose formé à l’étape (c) peut présenter avantageusement un grammage compris entre 5 et 50 g/m2.
De manière particulièrement avantageuse, le procédé comprend, après l’étape (c), une étape de séchage de l’objet moulé dans une presse chauffante.
D’autres caractéristiques et avantages de la description ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Naturellement, la forme de la barquette est donnée uniquement à titre illustratif et non limitatif.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 illustre un dispositif filtrant adapté pour le moulage d’un objet creux, tel qu’une barquette ou un autre récipient par exemple.
Le dispositif filtrant 1 comprend un moule 10 qui présente une paroi de moulage 11, qui définit la forme de l’objet à mouler.
Le dispositif filtrant 1 comprend en outre un support 12 solidaire du moule 10 et présentant un orifice de prise de vide 13 connecté à une source de vide (non représentée).
La jonction entre le moule et le support est étanche. La paroi de moulage comprend une surface intérieure dirigée vers l’intérieur du support 12 et une surface extérieure opposée à la surface intérieure. Comme cela sera décrit plus bas, la surface extérieure est destinée à recevoir une ou plusieurs couches de fibres de cellulose.
Dans le mode de réalisation illustré, la surface extérieure de la paroi est concave ; elle définit donc la surface extérieure de l’objet à mouler. Cependant, dans d’autres modes de réalisation, la surface extérieure pourrait être convexe et définir la surface intérieure de l’objet à mouler.
La paroi de moulage 11 est perforée, de sorte à permettre de plaquer par aspiration une couche de fibres cellulosiques déposée sur la surface extérieure en faisant le vide dans le support. Selon un mode de réalisation, la paroi de moulage est constituée d’une forme métallique perforée recouverte d’une toile filtrante.
Des modes de réalisation du procédé de fabrication de l’objet vont maintenant être décrits en référence aux figures 2 à 7.
Comme illustré sur la figure 2, on prépare une suspension 2 de fibres de cellulose. Les fibres de cellulose peuvent provenir de pâtes chimiques (blanchies ou non), de pâtes mécaniques ou encore de pâtes recyclées, voire de pâte de fibres de cellulose régénérées ou synthétiques. La concentration en fibres de cellulose dans ladite suspension est typiquement comprise entre 2 et 20 g/l. Ladite suspension peut éventuellement contenir des additifs.
On amène le dispositif filtrant 1 au-dessus de la suspension 2.
En référence à la figure 3, on plonge le dispositif filtrant 1 dans la suspension 2, de sorte à mettre la surface extérieure de la paroi de moulage 11 en contact avec la suspension 2.
On applique une dépression dans le support 12 au moyen de la source de vide de sorte à aspirer des fibres de cellulose sur la paroi de moulage 11. Les fibres arrêtées par la toile filtrante se déposent à sa surface en formant une couche ayant la forme de l’objet à produire. La durée de cette opération est adaptée en fonction de la quantité de fibres que l’on cherche à prélever, qui détermine le grammage de l’objet. Typiquement des durées de 1 à 15 secondes sont utilisées pour obtenir des grammages entre 400 et 700g/m².
En référence à la figure 4, on retire le dispositif filtrant de la suspension 2 et on maintient la dépression pour maintenir la couche 20 de fibres de cellulose sur la paroi 11 et déshydrater au maximum la couche de fibres. La teneur en matière sèche de la couche de fibres à ce stade atteint typiquement entre 10 et 50%.
De manière optionnelle, on peut former une ou plusieurs couche(s) additionnelle(s) de fibres de cellulose sur la couche 20 en plongeant le dispositif filtrant supportant la couche 20 dans une seconde suspension de fibres de cellulose. De manière particulièrement avantageuse, la seconde suspension de fibres de cellulose présente des caractéristiques différentes de celles de la suspension 2. Ainsi, on peut empiler des couches de fibres de cellulose présentant des propriétés différentes (par exemple des fibres de nature, de concentration, ou de taille différente, ou contenant des additifs particuliers). Ceci permet d’ajuster les propriétés mécaniques (par exemple la rigidité ou la densité), le coût ou la masse totale de l’objet en fonction de l’utilisation envisagée. Par exemple, en associant deux couches de fibres de cellulose judicieusement choisies, il est possible de réduire la masse ou le coût de l’objet tout en conservant une tenue mécanique suffisante pour l’application visée.
D’une manière générale, le grammage de chaque couche de fibres de cellulose est compris entre 10 et 1000 g/m2.
Par ailleurs, dans le cas où l’on souhaite conférer des propriétés barrières à l’objet, on dépose un film cellulosique ou hémicellulosique sur la couche de fibres de cellulose formée précédemment. Il a en effet été démontré qu’un tel film cellulosique ou hémicellulosique présente des propriétés barrière aux graisses et aux gaz et ce, même avec une fine épaisseur.
A cet effet, en référence à la figure 5, on plonge le dispositif filtrant 1 supportant la couche de fibres de cellulose 30 (ou l’empilement de couches de fibres de cellulose le cas échéant) dans une suspension cellulosique ou hémicellulosique 3.
Dans certains modes de réalisation, la suspension est une suspension de microfibrilles de cellulose. Ladite suspension peut éventuellement contenir des additifs.
Les microfibrilles de cellulose (souvent désignées par l’acronyme MFC, du terme anglo-saxon « Micro Fibrillated Cellulose ») sont des fragments de fibres de cellulose dont au moins une dimension est inférieure à 1 µm.
Comme on le verra plus bas, le film de microfibrilles de cellulose confère à l’objet moulé des propriétés barrières, aux graisses et aux gaz, même avec une fine épaisseur de microfibrilles de cellulose.
La concentration en microfibrilles de cellulose dans ladite suspension est typiquement comprise entre 2 et 10 g/l. On applique une dépression dans le support 12 au moyen de la source de vide de sorte à aspirer les microfibrilles de cellulose au travers de la paroi de moulage et de la couche 20 (ou l’empilement de couches) de fibres de cellulose. Typiquement des durées de 1 à 5 secondes sont utilisées.
En référence à la figure 6, on forme ainsi un mince film 30 de microfibrilles de cellulose sur la couche 20 (ou l’empilement de couches) de fibres de cellulose. Le grammage du film 30 de microfibrilles de cellulose présente typiquement un grammage compris entre 5 et 50 g/m2.
Le vide est maintenu durant un certain temps, le plus souvent entre 10 et 60 secondes, pour déshydrater au maximum le film de microfibrilles de cellulose formé.
Dans des formes d’exécution alternatives, d’autres suspensions cellulosiques ou hémicellulosiques peuvent être employées pour former un film barrière aux graisses et aux gaz.
Ainsi, dans certains modes de réalisation, la seconde suspension 3 peut être une pâte de cellulose hyper raffinée, telle que décrite notamment dans le document EP 3 387 186.
Dans d’autres modes de réalisation, la seconde suspension peut être une suspension de cellulose dissoute, ou encore une solution d’hémicellulose dissoute. Dans cette suspension, la cellulose et /ou l’hémicellulose peut être naturelle ou modifiée.
De manière particulièrement avantageuse, on peut ensuite placer l’objet moulé O dans une presse chauffante 4, comme illustré schématiquement sur la figure 7, de sorte à comprimer les fibres cellulosiques qui le constituent, lisser sa surface et accélérer le chauffage. La presse chauffante 4 comprend deux moules complémentaires mâle / femelle (non représentés) dont les formes correspondent respectivement à la forme intérieure et à la forme extérieure de l’objet O. L’objet est déposé dans l’entrefer entre les deux moules, puis la presse est fermée avec application d’une force typiquement de 20 kN à 100 kN et d’une température comprise généralement entre 150° et 250°C. La durée de séchage est adaptée aux caractéristiques de l’objet, principalement sa masse. Typiquement des durées de 1 à 3 minutes sont appliquées.
A l’issue de la phase de pressage/séchage, la presse 4 est ouverte et l’objet fini O est récupéré.
Comme illustré sur la figure 8, l’objet sec O possède donc une paroi stratifiée dont l’épaisseur est comprise entre 0,2 et 2 mm et qui est constituée d’au moins une première couche 20 de fibres de cellulose et d’une seconde couche 30 cellulosique ou hémicellulosique.
Dans un mode de réalisation préféré, adapté notamment à la réalisation de contenants, la paroi stratifiée de l’objet est constituée d’une couche épaisse de fibres cellulosiques, elle-même éventuellement constituée de plusieurs épaisseurs de fibres de natures différentes, lui conférant ses propriétés mécaniques (résistance à la traction, rigidité…), et d’un film 30 cellulosique ou hémicellulosique, par exemple un film de microfibrilles de cellulose, qui lui confère des propriétés barrières, notamment aux gaz (en particulier à l’oxygène) et aux graisses.
Résultats expérimentaux
On a vérifié l’efficacité d’un film de microfibrilles de cellulose en termes de propriétés barrière au moyen d’un test de Cobb à l’huile. Ce test consiste à déposer de l’huile à la surface d'un échantillon et à mesurer la quantité d’huile (en g/m2) absorbée pendant une durée de 900 secondes.
Chaque échantillon a été fabriqué par moulage d’une plaque de 21 cm x 19 cm, dont le support était formé d’un mélange de pâtes kraft de feuillus et de résineux (50% / 50%), d’un grammage de 700 g/m2.
Un échantillon de référence ne comportait aucun film de microfibrilles de cellulose ; les autres échantillons ont été recouverts d’un film de microfibrilles de cellulose de bouleau, en faisant varier le grammage d’un échantillon à l’autre. Les microfibrilles de cellulose ont été produites à partir d’une pâte chimique blanchie de bouleau et selon un procédé mécano-enzymatique incluant un traitement enzymatique, un stade de raffinage, et trois passages en homogénéiseur à haute pression.
Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous.
| Grammage de la couche de microfibrilles de cellulose (g/m²) |
Test Cobb : grammage d’huile absorbé en 900 s (g/m²) |
| 0 (référence) | >300 – transpercement |
| 20 | 9 |
| 30 | 10 |
| 30 | 11 |
| 40 | 3 |
Dans le cas de l’échantillon de référence (ne comportant pas le film de microfibrilles de cellulose selon l’invention), l'huile déposée en surface de l'échantillon l’a transpercé complètement. La valeur de Cobb obtenue n'est donc qu'indicative.
Inversement dans le cas des échantillons portant un film de microfibrilles de cellulose, conformément à l’invention, aucun transpercement n'est observé et les valeurs de Cobb obtenues sont relativement basses compte tenu de la durée du test.
La figure 9 présente une photographie de l’échantillon de référence R et d’un échantillon selon l’invention I, après dépôt d’une goutte d’huile colorée (zone entourée par le trait continu) pendant une minute puis essuyage de la surface. La partie droite de la figure présente une vue grossie de l’aspect de l’échantillon : sur l’échantillon de référence, on voit nettement la tache d’huile absorbée ; en revanche, aucune trace n’est visible sur l’échantillon selon l’invention, ce qui montre que l’huile n’a pas été absorbée, grâce aux propriétés barrière du film de microfibrilles de cellulose.
Claims (10)
- Procédé de fabrication d’un objet moulé en fibres de cellulose, comprenant successivement :
(a) l’utilisation d’un moule définissant une forme intérieure ou extérieure de l’objet, ledit moule comprenant une paroi filtrante (11) en liaison fluidique avec une source de vide,
(b) l’immersion du moule dans une première suspension (2) de fibres de cellulose de sorte à former par aspiration par la source de vide une première couche (20) de fibres de cellulose sur la paroi filtrante (11) du moule,
(c) l’immersion du moule dans une seconde suspension (3) cellulosique ou hémicellulosique de sorte à former par aspiration par la source de vide une seconde couche (30) cellulosique ou hémicellulosique sur la première couche (20). - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la seconde suspension est une suspension de fibres cellulosiques différente de la première suspension.
- Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le grammage de chaque couche de fibres de cellulose est compris entre 10 et 1000 g/m2.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la teneur en matière sèche de la couche de fibres de cellulose obtenue à l’issue de l’étape (b) est comprise entre 10 et 50%.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la concentration en fibres de cellulose de la suspension (2) utilisée à l’étape (b) est comprise entre 2 et 20 g/l.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la seconde suspension (3) est choisie parmi : une suspension de microfibrilles de cellulose, une pâte de cellulose, une solution de cellulose dissoute et une solution d’hémicellulose dissoute, de sorte que la seconde couche (30) formée à l’étape (c) soit un film barrière aux graisses et aux gaz.
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’étape (b) est répétée au moins une fois de sorte à former une pluralité de couches de fibres de cellulose avant l’étape (c).
- Procédé selon l’une des revendications 6 ou 7, dans lequel la seconde suspension est une suspension de microfibrilles de cellulose présentant une concentration comprise entre 2 et 10 g/l.
- Procédé selon la revendication 8, dans lequel le film (30) de microfibrilles de cellulose formé à l’étape (c) présente un grammage compris entre 5 et 50 g/m2.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant, après l’étape (c), une étape de séchage de l’objet moulé dans une presse chauffante (4).
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2020
- 2020-07-09 FR FR2007263A patent/FR3112351B1/fr active Active
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| FR3112351B1 (fr) | 2022-10-07 |
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