WO2020173910A1 - Procédé de fabrication d'une pièce à partir de matière cellulosique sous forme particulaire et pièce obtenue par un tel procédé - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce à partir de matière cellulosique sous forme particulaire et pièce obtenue par un tel procédé Download PDF

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WO2020173910A1
WO2020173910A1 PCT/EP2020/054849 EP2020054849W WO2020173910A1 WO 2020173910 A1 WO2020173910 A1 WO 2020173910A1 EP 2020054849 W EP2020054849 W EP 2020054849W WO 2020173910 A1 WO2020173910 A1 WO 2020173910A1
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WO
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cellulosic material
equal
temperature
mpa
phase
Prior art date
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PCT/EP2020/054849
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Margaux JUMEAUX
Vincent MENNY
Camille Rein
Foad NAIMI
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Authentic Material
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    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N3/00—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres
    • B27N3/08—Moulding or pressing
    • B27N3/18—Auxiliary operations, e.g. preheating, humidifying, cutting-off
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N3/00—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres
    • B27N3/02—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres from particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N3/00—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres
    • B27N3/08—Moulding or pressing
    • B27N3/20—Moulding or pressing characterised by using platen-presses
    • B27N3/203—Moulding or pressing characterised by using platen-presses with heating or cooling means

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a part in the form of a solid block from cellulosic material in particulate form.
  • the invention also relates to a part obtained by such a manufacturing process.
  • the present inventors were more particularly interested in natural raw materials of cellulosic type, and both in non-lignocellulosic materials and in lignocellulosic materials, and in particular in wood, the properties of which, in particular the mechanical properties and the aesthetic properties, s are of great interest.
  • wood is a natural material of plant origin, which forms the trunks, branches and roots of woody plants.
  • Wood fibers are mainly composed of cellulose, a polysaccharide with an organized three-dimensional structure, as well as lignin and hemicellulose.
  • a significant amount of wood-based waste is generated by actors in forestry and the wood industry. The use of this waste for the manufacture of parts in solid material, intended for multiple and varied applications taking advantage of the advantageous aesthetic and mechanical properties of wood, would allow a very interesting recovery, both economically and environmentally.
  • non-lignocellulosic cellulosic waste such as tree nuts residues, agricultural plant residues, agricultural products, etc.
  • the term “cellulosic material” is intended to mean a natural material containing a large amount of cellulose, in particular at least 30% by weight of cellulose and / or hemicellulose.
  • the expression “cellulosic material” encompasses both materials in which cellulose is substantially the only polymer constituent, or containing a mixture of cellulose and hemicellulose as polymer constituents, called “non-lignocellulosic materials. » Than lignocellulosic materials, formed from a mixture of cellulose, lignin and hemicellulose, which are the three main polymer components.
  • Cellulose is an organic, semi-crystalline polymer, whose macromolecules are naturally organized into microfibers. Cellulose is more particularly composed of bD-glucopyranose units in chair conformation 4C1 linked by b- (1 ®4) bonds. Cellulose is the most abundant organic material on Earth, and the main constituent of the lining of plant cells.
  • cellulose can be found alone or in the form of lignocellulose, that is, included in a complex structure made up of cellulose, lignin and hemicellulose. Within the lignocellulosic biomass, these three macromolecules intermingle and form a complex and very strong three-dimensional structure, held together by hydrogen bonds and covalent bonds.
  • the present invention aims to provide a method of manufacturing a part from cellulosic material in particulate form which makes it possible to obtain a part, in the form of a solid block of material, reproducing the properties of the initial cellulosic material, and even improving some of these properties.
  • An additional objective of the invention is for this method to be simple and quick to implement.
  • a method for manufacturing a part in the form of a solid block, from cellulosic material in particulate form which comprises the following phases, these phases being carried out dry: a phase of heating the cellulosic material, in particular in particulate form, optionally contained in a mold, under compression at a pressure greater than or equal to 5 MPa, at a temperature greater than or equal to 150 ° C .; then a cooling phase of the material thus obtained, called modified material, the compression at a pressure greater than or equal to 5 MPa being maintained for at least part of the cooling phase, at least until said modified material has reached a temperature below 100 ° C.
  • the method can also comprise, where appropriate, the demolding of the solid part thus obtained.
  • the cellulosic material is preferably subjected to the heating step alone or in a mixture with an amount of less than 5% by weight of additive (s), relative to the total weight of the mixture.
  • the cellulosic material subjected to the heating step does not contains no polymer binder, in particular synthetic. It is also preferably not mixed, for the implementation of the process according to the invention, with any polymer binder, in particular synthetic, in particular with any polymer resin, whether of thermoplastic or thermosetting type.
  • the temperature values are indicated for carrying out the method according to the invention at atmospheric pressure.
  • the invention also encompasses configurations in which the process is carried out under reduced pressure. In such a case, it is within the competence of those skilled in the art to determine which temperature values to apply, depending on a given pressure, to carry out the method in accordance with the present invention.
  • compression at a pressure greater than or equal to 5 MPa is preferably maintained until the modified material has reached a temperature less than or equal to 80 ° C. It is preferably maintained throughout the entire cooling phase, and in particular until the modified material has reached room temperature.
  • maintaining the compression during the cooling phase advantageously ensures that the material constituting the part which is obtained at the end of the implementation of the method has a density much higher than that of the initial material and particularly good mechanical strength properties.
  • These advantageous results could be in part due to the fact that maintaining the compression during the cooling phase prevents any water present in the modified material, in gaseous form at the end of the heating phase, from s 'escapes during cooling, thereby leaving porosities within the material, and in doing so does not deform the part.
  • the compression is carried out continuously during the heating phase and the cooling phase. This is understood to mean that there is no interruption in the compression between the heating phase and the cooling phase. However, there may be a change in the magnitude of the pressure exerted for the compression.
  • the heating phase is carried out at a temperature below the degradation temperature of the cellulosic material.
  • a person skilled in the art can in particular carry out a thermal analysis, in particular by differential thermal analysis (DTA) of a sample of this cellulosic material, in a manner which is conventional in itself.
  • DTA differential thermal analysis
  • Such a technique can implement a temperature rise ramp of 10 ° C / min, over a temperature range of up to 1000 ° C, under an oxidizing atmosphere, for example in air, or under an inert atmosphere, for example. example of helium.
  • this analysis can be carried out on 20 mg of material in a crucible of aluminum oxide of 100 ml capacity.
  • the cellulose / lignocellulose degradation temperature starts at around 300 ° C.
  • the heating phase is carried out at a temperature below 300 ° C.
  • the heating phase is carried out at a temperature greater than or equal to the glass transition temperature of the cellulosic material, more precisely of the cellulosic type polymer (including lignocellulosic polymers) which enters into its constitution.
  • This modification of the secondary structure of the polymer, carried out under compression according to the present invention advantageously results, on a macroscopic scale, in densification of the material.
  • the glass transition temperature of the cellulosic polymer contained in the cellulosic material to which the process according to the invention is applied depends in particular on the degree of humidity of this material, as well as, of course, on the pressure in the device used (pressure atmospheric or reduced pressure).
  • a heating ramp of 20 ° C / min can be used.
  • the glass transition temperature is preferably obtained by taking the average between the temperature at the start of the thermal event observed during heating (temperature commonly called “onset”) and the temperature in the middle of this thermal event (temperature commonly known as “midpoint”. »), which can be determined by the tangent method, well known to those skilled in the art.
  • Heating the cellulosic material in particulate form to a temperature higher than the glass transition temperature of the cellulosic polymer thus induces a molecular reorganization within the material, which has the effect of densifying this material in a particularly important way, much more than when the heating is carried out at a temperature below the temperature glass transition temperature of this material, as proposed in particular by document WO 2012/069736.
  • the glass transition temperature of the cellulosic polymer which is the main constituent thereof is within a range of values between 150 and 200 ° C.
  • the heating phase of the process is carried out at a temperature between 150 ° C and 210 ° C.
  • the glass transition temperature of the lignocellulosic polymer which is the main constituent thereof lies in a range of values between 170 and 220 ° C.
  • the heating phase of the process is preferably carried out at a temperature greater than or equal to 190 ° C, preferably between 190 ° C. and 230 ° C.
  • the heating phase of the process according to the invention is carried out at a temperature greater than or equal to the glass transition temperature of the cellulosic polymer which is present there, during the cooling phase the modified material passes, in a conventional manner in it. - even, from an amorphous state to a glassy state, not deformable.
  • the release of the part manufactured by the method according to the invention is then advantageously easy.
  • the cooling phase can be carried out in any manner that is conventional in itself, in particular by dissipation of heat in the ambient air.
  • the cooling phase is carried out as quickly as possible, depending on what the equipment used for implementing the method according to the invention allows.
  • the process according to the present invention is carried out dry. He does not put advantageously, no solvent is used. This is understood to mean that the material is subjected to the phases of the process according to the invention in the solid state, and not in solution or suspension in a liquid. According to the invention, however, the material may have a very high humidity level, or even be heavily impregnated with water.
  • a part is obtained formed of a block of solid material exhibiting the aesthetic appearance, in particular the colors, as well as the odor, of the starting cellulosic material.
  • the block obtained is advantageously smooth, compact and densified, and it has good cohesion and good strength. Its structure is homogeneous, and it is physically and aesthetically stable. This material further exhibits lower hygroscopy, and higher density, than those of the starting cellulosic material.
  • the densification carried out by implementing the method according to the invention is not associated with any significant loss of mass, and it gives the part obtained completely advantageous mechanical properties, in particular good mechanical strength and low deformability, thus better resistance to humidity than the initial cellulosic material.
  • the part obtained also has a flexural modulus and a tensile modulus that are similar, or even better, to those of the initial cellulosic material.
  • the part obtained by the process according to the invention is in particular much denser than the parts obtained by similar processes, but in which the compression is not maintained during the cooling phase.
  • the material constituting this part has a degree of deformability which can advantageously be controlled, by an adequate choice of the operating parameters of the process and of the initial moisture content of the natural cellulosic material.
  • the water possibly present in the initial natural cellulosic material plays a role of plasticizer which reinforces the deformability of the material obtained.
  • the method according to the invention which is simple and quick to implement, advantageously makes it possible to control the properties of the final material, in particular by adding suitable additives to the cellulosic material upstream of the heating phase. It also allows perfect control of the shape and dimensions of the formed part, so that it is possible to manufacture parts suitable for all the desired applications.
  • the method according to the invention can be implemented by compressing the cellulosic material in particulate form contained in a conventional mold in itself, which may be of any type, and which may have any desired shape and dimensions.
  • the heating phase, then the cooling phase, at least under compression, are then carried out on the material contained in this mold.
  • a mold can for example be formed of steel, graphite, tungsten carbide or silicone.
  • the method according to the invention can comprise a preliminary step of cold preforming the cellulosic material in particulate form, to form a solid preform which is then subjected, not necessarily in a mold, to the heating phase, then to the heating phase. cooling phase, under compression, of the process according to the invention.
  • the cellulosic material in particulate form on which the process according to the invention is implemented can be of any type and come from all origins.
  • the cellulosic material can be substantially lignin-free material, i.e., non-lignocellulosic material. By this is meant that this cellulosic material does not contain lignin, or only in a very small quantity, less than 5% by mass, preferably less than 3% by mass.
  • the cellulosic material can in particular be chosen from residues of nuts, cakes or coffee grounds, cocoa, sunflower or rapeseed cakes, vanilla grains, flower petals, residues. agricultural plants, for example from hemp, rice, flax, cotton, etc., agricultural products, such as seeds, leaves of plants, etc., and more generally from all plant products .
  • the cellulosic material can otherwise be a lignocellulosic material, such as straw, roots or wood.
  • it can consist of any type of wood, from any species, and be of any species. This concerns in particular waste from the wood industry or the paper industry, or even forestry, for example waste from logging.
  • the initial cellulosic material may have undergone any transformation prior to the implementation of the method according to the invention.
  • the cellulosic material can be in any particulate form, in particular more or less fine ground material, shavings or sawdust in the case of wood.
  • the cellulosic material to which the process according to the invention is applied is in the form of particles with a size of between 20 miti and 2 mm, in particular between 20 and 500 miti, or alternatively between 50 and 500 miti.
  • Particle size is expressed here in terms of the largest particle size. This size is measured by sieving, in particular in the dry process, for large values, and laser granulometry for the smallest values.
  • the particles of cellulosic material exhibit good size homogeneity.
  • These particles also preferably exhibit good homogeneity of shape, which it is in particular possible to ensure by observation under an electron microscope.
  • the method according to the invention is also applicable to particles of cellulosic material whose size is greater than 2 mm, and even whose length is one or more centimeters.
  • the method according to the invention can also meet one or more of the characteristics described below, implemented in isolation or in each of their technically operative combinations.
  • the phase of heating the cellulosic material to a temperature greater than or equal to 150 ° C, preferably to a temperature greater than or equal to 190 ° C for lignocellulosic materials, and preferably, for all materials, at a temperature greater than or equal to the glass transition temperature of the cellulosic polymer which enters into its constitution, is used for a duration of between 1 and 30 minutes.
  • the implementation of the heating phase can be preceded by a preliminary step of cold pre-compression of the cellulosic material in particulate form, in particular when the density of this initial material is low.
  • the compression exerted during the heating phase can in particular be carried out at a pressure greater than or equal to 15 MPa, in particular at a pressure greater than or equal to 20 MPa.
  • the heating phase of the cellulosic material is carried out by the high pressure thermomolding technique, and the compression is preferably applied at a pressure greater than or equal to 80 MPa, preferably greater than or equal to 130 MPa as regards lignocellulosic materials, during the heating phase, and preferably at a pressure greater than or equal to 50 MPa, in particular between 50 and 100 MPa, during the cooling phase.
  • High pressure thermomolding also known as hot pressing, can be implemented in any conventional equipment itself.
  • the heating phase of the cellulosic material is performed by flash sintering, the cellulosic material being contained in an electrically conductive mold.
  • the cooling phase is preferably carried out in the same flash sintering device, without any intermediate manipulation of the modified material contained therein. Compression is then preferably applied at a pressure greater than or equal to 20 MPa, preferably between 20 and 50 MPa, during the heating phase as during the cooling phase.
  • the mold may be formed from any electrically conductive material suitable for this application, in particular from metal, for example steel, graphite or tungsten carbide.
  • the flash sintering technique (known as SPS, standing for “Spark Plasma Sintering”) is well known to those skilled in the art. It consists in passing a pulsed electric current through a matrix of electrically conductive material, containing the particulate material compacted in a direction uniaxial. This causes the material to be heated by the Joule effect and electrical and thermal conduction, even if the initial cellulosic material is not electrically conductive, thanks to the property of electrical conductivity of the mold which contains it.
  • this technique can be implemented in a flash sintering device that is conventional in itself, and under operating conditions that are also conventional in themselves.
  • the tools used can for example consist of graphite dies and pistons, but any other electrically conductive material, in particular steel, is also suitable.
  • the implementation in accordance with the invention of the flash sintering technique makes it possible to obtain a particularly dense final material, with a very homogeneous structure and exhibiting particularly good mechanical properties and good machinability, and what is more attractive in appearance.
  • the heating of the cellulosic material is carried out by induction, said cellulosic material being contained in an electrically conductive mold.
  • this mold can be formed from any electrically conductive material, in particular from metal, in particular from steel, or from tungsten carbide for example.
  • the induction technique is also well known to those skilled in the art.
  • an electric field is impelled by a copper filament in the induction mold.
  • a magnetic field is then created which makes it possible to locally create an electric current.
  • This electric current constitutes a source of heating of the mold at localized points.
  • the heat is then diffused by conduction in the mold, and in the material which is contained therein.
  • the compression is applied at a pressure of between 5 and 10 MPa, for the heating phase as well as for the cooling phase.
  • the method according to the invention preferably uses a device equipped with a system which injects water into the induction mold under high pressure, which makes it possible to rapidly reduce the temperature of the mold and therefore material contained in this mold, while maintaining compression.
  • Such cooling control proves to be quite advantageous, in particular in that it allows the modified material to be cooled very quickly.
  • the method according to the invention can be carried out at atmospheric pressure or at reduced pressure.
  • the gases which are released from the cellulosic material during the heating phase are continuously evacuated from the device used.
  • the method according to the invention preferably comprises, during the heating phase, and preferably also during the cooling phase, a step of continuous degassing of the enclosure containing the cellulosic material on which the process is. implemented.
  • the method according to the invention can comprise steps of cleaning, sorting and / or degreasing the cellulosic material, as well as, where appropriate, one or more preliminary steps of grinding this material, so as to ensure that it is in a particulate form, and if necessary in the desired particle size.
  • the method comprises a preliminary step of pre-grinding, in particular so as to obtain pieces of size, in particular of larger size, between 500 miti and 3 cm, then a cryomicronization step, to form a powder whose grain size, measured for example by dry granulometric analysis, is between 60 and 400 miti.
  • compression of the modified material may be applied at the same pressure as during the heating step, or at a different pressure, which may be both lower and higher.
  • a compression at a pressure greater than the pressure applied during the heating phase is particularly advantageous for the treatment of non-lignocellulosic cellulosic materials.
  • maintaining the compression of the modified material during the cooling step advantageously makes it possible to limit the degree of porosity in the final material obtained, and, by consequently, the quantity of water contained in this material. This results in particularly good mechanical and structural strength properties for the material obtained at the end of the implementation of the process according to the invention.
  • the phase of heating the cellulosic material is carried out at a temperature, and for a period, which are sufficient to ensure that all of the cellulosic material subjected to heating has reached a temperature greater than or equal to the glass transition temperature of the cellulosic polymer entering into its constitution.
  • a duration of the heating phase of between 1 and 30 minutes, at a temperature greater than or equal to 190 ° C, allows it to be ensured whatever the dimensions of the part to be formed, and in particular its thickness, for the vast majority.
  • cellulosic materials including lignocellulosics, with a moisture content of less than 30%.
  • the cellulosic material in particulate form on which the process according to the invention is carried out preferably has a moisture content of between 0 and 30%.
  • the invention is, however, also applicable to particulate cellulosic materials of higher moisture content, especially as high as 65%.
  • the humidity level is defined here, in a conventional manner in itself, as the percentage by mass of water contained in the material, relative to the total mass of the material, under conditions of 60% relative humidity air and at around 20 ° C.
  • This humidity level can in particular be determined by comparing the weight of a sample of the material with the weight of this same sample after it has been subjected to a drying step at more than 100 ° C. until a substantially constant sample weight is obtained, typically for 24 to 48 hours.
  • the method according to the invention may include a preliminary step of drying the cellulosic material, for example in an oven, to obtain the desired humidity level.
  • the method according to the invention may include a step of mixing the cellulosic material in particulate form with one or more additives, chosen according to the properties desired for the final part.
  • additives are plasticizers, reinforcing fibers, dyes, etc.
  • the cellulosic material is not mixed with any other component for carrying out the process according to the invention.
  • the method according to the invention comprises a step of mixing the cellulosic material in particulate form with one or more additives. , these additives being present in the mixture in an amount of less than 5% by weight, relative to the total weight of the mixture.
  • plasticizers such as glycerol or water (water being used, as an additive, to increase the moisture content of the natural material)
  • coloring substances such as pigments, for example iron oxide.
  • the present invention relates to a part obtained by a manufacturing process according to the invention, meeting one or more of the characteristics described above.
  • the material which constitutes this part has a lower hygroscopy, that is to say a lower tendency to absorb moisture from the air, than that of the initial cellulosic material.
  • the humidity level of the final material obtained by the process according to the invention is lower than the humidity level of the material. initial cellulosic.
  • the material which constitutes this part has a humidity level of between 0 and 75%, under conditions of 60% relative humidity of the air and at a temperature of 20%. ° C.
  • the density of the material constituting the part according to the invention is greater than that of the initial cellulosic material.
  • the part according to the invention may have been obtained by carrying out the process according to the invention on any type of cellulosic material, whether it is non-lignocellulosic or lignocellulosic, in particular on any type of wood, of any species and of any provenance, including on wood mixtures. It may for example have been obtained by carrying out the process according to the invention on juniper wood, mahogany wood, oak wood, beech wood, or any of their mixtures, as the case may be. possibly mixed with one or more other wood species.
  • the part according to the invention can be used in many applications, in particular for the manufacture of pens, glasses, cutlery items, perfume cases, small fashion accessories, decorative accessories, dressing of supports, various packaging, etc.
  • FIG. 1 shows the spectra obtained by infrared spectroscopy (attenuated total reflection mode) obtained for, respectively, a sample of mahogany wood in particulate form and a material obtained at the end of the implementation of a method by high pressure thermomolding in accordance with the invention from such a sample;
  • FIG. 2 represents the spectra obtained by infrared spectroscopy (attenuated total reflection mode) obtained for, respectively, a sample of juniper wood in particulate form and a material obtained at the end of the implementation of a method by high pressure thermomolding in accordance with the invention from such a sample.
  • thermomolding HPHT
  • the wood in particulate form being placed in a hexagonal mold 5 cm in width. , each side of which is 2.9 cm long.
  • the device used is a 50 ton hydraulic press from Pinette Emidecau Industries.
  • the woods used are in the form of shreds with a particle size of between 250 and 500 miti.
  • the moisture content of the mahogany wood powder sample is 17%.
  • the glass transition temperature of the lignocellulose in this sample is approximately 180 ° C.
  • the density of this powder is between 0.05 and 0.2 g / cm 3 .
  • the part obtained is then demolded. It is in the form of a compact block 4 mm thick, with a smooth surface, coloring and odor similar to those of the initial wood powder. Its density is between 1, 2 and 1, 6 g / cm 3 .
  • the initial mahogany wood powder and the material obtained at the end of the process are analyzed by infrared spectroscopy in ATR mode (total attenuated reflection).
  • the spectra obtained are shown in figure 1.
  • the peaks are not visible for the final material, as they are attenuated due to the high density of this material. These peaks are still present, even if not visible in the figure.
  • the representative peaks of cellulose, at 524 cm 1 , 899 cnr 1 and 1100 cm -1 are indeed present on the spectrum of the initial powder and on the spectrum of the final material, which attests to the absence of degradation of the material.
  • the moisture content of the juniper wood sample is 7%.
  • the density of this powder is between 0.05 and 0.2 g / cm 3 .
  • the part obtained is then demolded. It is in the form of a compact block 4 mm thick, smooth surface, vitrified appearance, coloring and odor very similar to those of the initial wood powder. Its density is between 1 and 1, 4 g / cm 3 .
  • the initial juniper wood powder and the material obtained at the end of the process are analyzed by infrared spectroscopy in ATR mode (total attenuated reflection).
  • the spectra obtained are shown in figure 2.
  • the characteristic peaks of lignin are attenuated for the final material, due to the high density of this material, but are still present.
  • the representative peaks of cellulose, at 524 cm -1 , 899 cnr 1 and 1,100 cm -1 are present on the spectrum of the initial powder and on the spectrum of the final material, which attests to the absence of degradation of cellulose contained in the initial juniper powder during the implementation of the process according to the invention.
  • the moisture content of the wood sample is 12%.
  • the density of this powder is between 0.05 and 0.2 g / cm 3 .
  • the part obtained is then demolded. It comes in the form of a compact block 4 mm thick, smooth surface, vitrified appearance, coloring and odor similar to those of the initial wood powder. Its density is between 1, 1 and 1, 5 g / cm 3 .
  • a method according to the invention in which the heating phase is carried out by flash sintering, is carried out on juniper wood in the form of powder with a particle size of between 250 and 500 miti.
  • the moisture content of this powder is 7%.
  • Its density is between 0.05 and 0.2 g / cm 3 .
  • the mold used is a graphite disc with a diameter of 130 mm.
  • the tool used is an HPD-125 device (FCT System Gmbh) comprising graphite pistons.
  • 150 g of powder are introduced into the mold, which is then closed by the two pistons.
  • the assembly is then placed in the enclosure of the flash sintering device, which is placed under reduced pressure, at 5-10 Pa.
  • the device is then programmed to apply compression to the die containing the powder at a pressure of 20 MPa. .
  • the assembly is heated by the Joule effect by an electric current passing through the pistons and passing through the walls of the graphite die.
  • the whole is brought to a temperature of 130 ° C, which under these pressure conditions is higher than the glass transition temperature of the lignocellulose contained in the sample and lower than its degradation temperature.
  • the temperature is controlled by a thermocouple inserted on the outer wall of the die.
  • the temperature is maintained at 130 ° C for 10 min, after which the heating is turned off.
  • the compression is maintained at 20 MPa until the temperature inside the die reaches a value of 60 ° C.
  • the device is then opened, and the part is removed from the die.
  • a dense piece is obtained, colored like the initial juniper wood, presenting the same odor, and of lower hygroscopy.
  • a method according to the invention in which the heating phase is carried out by the induction heating technique, is carried out on juniper wood in the form of a powder with an average particle size of about 250 miti.
  • the moisture content of this powder is 7%.
  • the density of this powder is between 0.05 and 0.2 g / cm 3 .
  • the mold used is a plate 428 mm long and 273 mm wide.
  • the tooling is a 100T press equipped with an induction system composed of 2 generators from the company Roctool.
  • the temperature is increased over 1 min 30 s, to 190 ° C, then maintained at 190 ° C, the powder being compressed at a pressure of 9.2 MPa, for 1 min.
  • the mold is then cooled to a temperature of 40 ° C, still under the same compression, in 3 min 30 s.
  • a part is obtained in the form of a compact and dense solid block, exhibiting an odor and a coloring similar to those of the initial powder.
  • the mechanical properties of the material constituting this part are particularly good.
  • the moisture content of the sample is equal to 10.4%, its density is equal to 0.6.
  • the part obtained is then demolded. It is in the form of a compact block of smooth surface, with a vitrified appearance, similar in color to that of the initial cake.
  • Example 7 Vanilla grains
  • the moisture content of the sample is equal to 2.5%, its density is equal to 0.8.
  • vanilla grains in the form of pieces of size between 200 miti and 1 cm, are placed in the mold, which is heated to a temperature of 180 ° C. The material is then compressed, at this temperature, to a pressure of 81 MPa, for 4 min. The whole is then cooled over 3 min to ambient temperature, still under compression but at a pressure of 92 MPa.
  • the part obtained is then demolded. It comes in the form of a compact block with a smooth surface.
  • the moisture content of the sample is equal to 8%, its density is equal to 0.7.
  • the part obtained is then demolded. It comes in the form of a compact block of smooth surface, with a vitrified appearance, and a smell of coffee.
  • the sample used is in the form of a powder with a particle size distribution as follows 78.2% between 800 miti and 1 mm; 7.2% between 800 and 500 miti; 9.8% between 200 and 500 miti; 4.8% between 40 and 200 miti.
  • the moisture content of the sample is equal to 10.4%, its density is equal to 0.68.
  • the mold used has a square shape with dimensions of 7x7 cm.
  • the part obtained is then demolded. It is in the form of a compact block of 4 mm thickness, similar in color to that of the initial cake and having good surface plasticization.
  • the density of the material is equal to 1.42.
  • the mechanical characteristics of this part are determined as follows. Bars 5 cm long, 1 cm wide and 4 mm thick are cut from the 7 ⁇ 7 cm square samples obtained at the end of the process.
  • the 3-point bending test is carried out on an Instron machine, with a support speed of 2.5 mm / min and a gap of 40 mm.
  • the pressure recording sensor is a 500 N sensor. In this way bending / stress curves are obtained as a function of the displacement, which make it possible to define the maximum stress at break of the material and its elongation in bending stress.
  • the following results are obtained: maximum flexural stress 14 MPa, flexural modulus 1400 MPa, maximum deflection 0.66%.
  • the impact resistance of bars similar to those used for the bending tests is evaluated by the Charpy test, using Mouton pendulum Charpy, equipped with a 1 J hammer. For this purpose, the part is placed on a ledge and the sheep is released from its support. The energy retained by the sheep to break the material is read. It is thus determined that the material is resistant to impacts with an intensity of 1.8 kJ / m 2 .
  • Example 10 Complex shaped coffee cake / mold
  • the sample used is the same as in Example 9.
  • the mold used for this experiment has the shape of a flat pebble with a rounded edge.
  • Example 9 The operating conditions are the same as for Example 9, except that 18 g of the initial sample are used, and the compression is carried out at a pressure of 50 MPa.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce sous forme d'un bloc solide, à partir de matière cellulosique sous forme particulaire. Ce procédé comprend une phase de chauffage de la matière cellulosique sous compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa, à une température supérieure ou égale à 150 °C; puis une phase de refroidissement du matériau ainsi obtenu, la compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa étant maintenue jusqu'à ce que ce matériau ait atteint une température inférieure à 100 °C. Ce procédé permet de former, à partir de matière lignocellulosique ou non-lignocellulosique, une pièce en matériau particulièrement dense.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UNE PIÈCE À PARTIR DE MATIÈRE CELLULOSIQUE SOUS FORME PARTICULAIRE ET PIÈCE OBTENUE PAR UN
TEL PROCÉDÉ
La présente invention s’inscrit dans le domaine de la valorisation des résidus végétaux, en particulier des résidus de type cellulosique.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce sous forme d’un bloc solide à partir de matière cellulosique sous forme particulaire. L’invention concerne également une pièce obtenue par un tel procédé de fabrication.
L’épuisement programmé des ressources fossiles incite depuis plusieurs années les industriels à développer des solutions de remplacement mettant en oeuvre des ressources renouvelables, et ce dans tous les domaines de l’industrie. Le recyclage et la valorisation des déchets d’origine animale ou végétale revêtent à ce titre un intérêt croissant, tant du point de vue économique qu’environnemental.
Il a ainsi été proposé par l’art antérieur de fabriquer des matériaux solides à partir des déchets d’origine végétale, en particulier par un procédé de moulage à chaud et à haute pression de ces déchets.
Un exemple d’un tel procédé est décrit dans le document WO 2012/069736, pour la fabrication d’un matériau solide à partir d’une matière organique d’origine végétale contenant des polysaccharides ou des polypeptides. Ce procédé comprend le chauffage de la matière première sous compression.
Les présents inventeurs se sont plus particulièrement intéressés aux matières premières naturelles de type cellulosiques, et aussi bien aux matières non- lignocellulosiques qu’aux matières lignocellulosiques, et notamment au bois, dont les propriétés, en particulier les propriétés mécaniques et les propriétés esthétiques, s’avèrent d’un grand intérêt.
En particulier, le bois est un matériau naturel d’origine végétale, qui forme les troncs, les branches et les racines des plantes ligneuses. Les fibres du bois sont principalement composées de cellulose, un polyoside de structure tridimensionnelle organisée, ainsi que de lignine et d’hémicellulose. Une quantité importante de déchets à base de bois sont générés par les acteurs de la sylviculture et de l’industrie du bois. L’utilisation de ces déchets pour la fabrication de pièces en matériau massif, destinées à des applications multiples et variées tirant profit des propriétés esthétiques et mécaniques avantageuses du bois, en permettrait une valorisation tout à fait intéressante, sur le plan économique comme environnemental.
De la même façon, la revalorisation des déchets cellulosiques non- lignocellulosiques, tels que les résidus des fruits à coques, les résidus végétaux agricoles, les produits agricoles, etc., s’avère d’un grand intérêt.
A l’origine de la présente invention, il a été découvert par les présents inventeurs qu’un procédé de traitement par compression à haute température d’un matière cellulosique sous forme particulaire, mis en oeuvre dans des conditions opératoires spécifiques, permet de former des pièces massives en une matière présentant un faible degré d’hygroscopie et présentant des propriétés physico chimiques et mécaniques particulièrement bonnes, notamment une bonne cohésion, une structuration homogène, une bonne stabilité tant physique qu’esthétique. Cette matière conserve en outre l’odeur du matériau naturel initial. Ces résultats avantageux sont obtenus aussi bien pour les matières lignocellulosiques que pour les matières cellulosiques non-lignocellulosiques.
On entend dans la présente description, par matière cellulosique, une matière naturelle contenant une quantité importante de cellulose, en particulier au moins 30 % en poids de cellulose et/ou hémicellulose. Selon l’invention, l’expression « matière cellulosique » englobe aussi bien les matières dans lesquelles la cellulose est sensiblement le seul constituant polymère, ou contenant un mélange de cellulose et d’hémicellulose en tant que constituants polymères, dites matières « non-lignocellulosiques », que les matières lignocellulosiques, formées d’un mélange de cellulose, lignine et hémicellulose, qui en sont les trois composants polymères principaux.
La cellulose est un polymère organique, semi-cristallin, dont les macromolécules sont naturellement organisées selon des microfibres. La cellulose est plus particulièrement composée d’unités b-D-glucopyranose en conformation chaise 4C1 liées par des liaisons b-(1 ®4). La cellulose est la matière organique la plus abondante sur la Terre, et le principal constituant de la paroi des cellules végétales.
Dans la nature la cellulose peut être trouvée seule ou sous forme de lignocellulose, c’est-à-dire comprise au sein d’une structure complexe constituée de cellulose, lignine et hémicellulose. Au sein de la biomasse lignocellulosique, ces trois macromolécules s’entremêlent et forment une structure tridimensionnelle complexe et très résistante, maintenue par des liaisons hydrogène et des liaisons covalentes.
La présente invention vise à proposer un procédé de fabrication d’une pièce à partir de matière cellulosique sous forme particulaire qui permet d’obtenir une pièce, sous forme d’un bloc solide de matière, reproduisant les propriétés de la matière cellulosique initiale, et même améliorant certaines de ces propriétés.
Un objectif supplémentaire de l’invention est que ce procédé soit simple et rapide à mettre en oeuvre.
A cet effet, il est proposé selon la présente invention un procédé de fabrication d’une pièce sous forme d’un bloc solide, à partir de matière cellulosique sous forme particulaire, qui comprend les phases suivantes, ces phases étant réalisées à sec : une phase de chauffage de la matière cellulosique, notamment sous forme particulaire, le cas échéant contenue dans un moule, sous compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa, à une température supérieure ou égale à 150 °C ; puis une phase de refroidissement du matériau ainsi obtenu, dit matériau modifié, la compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa étant maintenue pendant au moins une partie de la phase de refroidissement, au moins jusqu’à ce que ledit matériau modifié ait atteint une température inférieure à 100 °C. Le procédé peut en outre comprendre, le cas échéant, le démoulage de la pièce solide ainsi obtenue. La matière cellulosique est de préférence soumise à l’étape de chauffage seule ou en mélange avec une quantité inférieure à 5% en poids d’additif(s), par rapport au poids total du mélange.
En particulier, la matière cellulosique soumise à l’étape de chauffage ne comprend aucun liant polymère, notamment synthétique. Elle n’est en outre de préférence mélangée, pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention, à aucun liant polymère, notamment synthétique, en particulier à aucune résine polymère, qu’elle soit de type thermoplastique ou thermodurcissable.
Dans toute la présente, les valeurs de température sont indiquées pour une mise en oeuvre du procédé selon l’invention à pression atmosphérique. L’invention englobe également les configurations dans lesquelles le procédé est mis en oeuvre sous pression réduite. Dans un tel cas, il entre dans les compétences de l’homme du métier de déterminer quelles valeurs de température appliquer, en fonction d’une pression donnée, pour mettre en oeuvre le procédé conformément à la présente invention.
Pendant la phase de refroidissement, la compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa est de préférence maintenue jusqu’à ce que le matériau modifié ait atteint une température inférieure ou égale à 80 °C. Elle est préférentiellement maintenue pendant la totalité de la phase de refroidissement, et notamment jusqu’à ce que le matériau modifié ait atteint la température ambiante.
La compression exercée selon l’invention sur la matière, alors même que cette dernière subit la phase de chauffage, permet de densifier la matière et d’augmenter le niveau de cohésion en son sein.
En outre, le maintien de la compression pendant la phase de refroidissement, tel qu’il est préconisé par la présente invention, assure avantageusement que le matériau constituant la pièce qui est obtenue à l’issue de la mise en oeuvre du procédé présente une densité bien supérieure à celle de la matière initiale et des propriétés de résistance mécanique particulièrement bonnes. Ces résultats avantageux pourraient être en partie dus au fait que le maintien de la compression au cours de la phase de refroidissement empêche que l’eau éventuellement présente dans le matériau modifié, sous forme gazeuse à l’issue de la phase de chauffage, ne s’en échappe pendant le refroidissement, laissant par là-même des porosités au sein du matériau, et ce faisant ne déforme la pièce. Préférentiellement, la compression est réalisée de manière continue pendant la phase de chauffage et la phase de refroidissement. On entend par là qu’il n’y a pas d’interruption de la compression entre la phase de chauffage et la phase de refroidissement. Il peut toutefois y avoir une modification de l’amplitude de la pression exercée pour la compression.
Dans des modes de mise en oeuvre avantageux de l’invention, la phase de chauffage est réalisée à une température inférieure à la température de dégradation de la matière cellulosique. Une telle caractéristique assure avantageusement des propriétés mécaniques optimales pour la pièce formée.
Il entre dans les compétences de l’homme du métier de savoir déterminer, pour chaque matière cellulosique donnée, cette température de dégradation. A cet effet, l’homme du métier pourra notamment réaliser une analyse thermique, notamment par analyse thermique différentielle (ATD) d’un échantillon de cette matière cellulosique, de manière classique en elle-même. Une telle technique peut mettre en oeuvre une rampe de montée en température de 10°C/min, sur une plage de température allant jusqu’à 1000 °C, sous atmosphère oxydante, par exemple dans l’air, ou sous atmosphère inerte, par exemple d’hélium. A titre d’exemple, cette analyse peut être réalisée sur 20 mg de matière dans un creuset en oxyde d’aluminium de 100 mI_ de capacité.
A pression atmosphérique, pour la grande majorité des matières cellulosiques et leurs différents taux d’humidité possibles, la température de dégradation de la cellulose / lignocellulose débute à environ 300 °C.
Ainsi, dans des modes de mise en oeuvre préférés de l’invention, la phase de chauffage est réalisée à une température inférieure à 300 °C.
Dans des modes de mise en oeuvre particulièrement préférés de l’invention, la phase de chauffage est réalisée à une température supérieure ou égale à la température de transition vitreuse de la matière cellulosique, plus précisément du polymère de type cellulosique (incluant les polymères lignocellulosiques) qui entre dans sa constitution.
Au-dessus de cette température de transition vitreuse, il se produit un changement dans la structure tridimensionnelle du polymère cellulosique / lignocellulosique, par passage d’un état vitreux à un état amorphe.
Cette modification de la structure secondaire du polymère, réalisée sous compression selon la présente invention, se traduit avantageusement, à l’échelle macroscopique, par une densification de la matière.
La température de transition vitreuse du polymère cellulosique contenu dans la matière cellulosique à laquelle s’applique le procédé selon l’invention dépend notamment du degré d’humidité de cette matière, ainsi, bien sûr, que de la pression dans le dispositif utilisé (pression atmosphérique ou pression réduite).
Il entre dans les compétences de l’homme du métier de déterminer, pour un échantillon de matière cellulosique sous forme particulaire donné, quelle est la température de transition vitreuse du polymère cellulosique qui entre dans sa constitution, dans les conditions de pression appliquées dans le dispositif mis en oeuvre. Comme exposé ci-avant, cette température dépend notamment du taux d’humidité du matériau. A cet effet, l’homme du métier pourra notamment procéder à une analyse du matériau par une technique connue en elle-même pour la mesure de ce paramètre, par exemple par la technique de calorimétrie différentielle à balayage (DSC), selon un mode opératoire classique, utilisant de préférence une capsule de type moyenne pression. Connaissant le taux d’humidité du matériau sur lequel il souhaite mettre en oeuvre le procédé selon l’invention, et la pression à laquelle ce procédé sera mis en oeuvre, l’homme du métier pourra autrement se référer, pour connaître la température de dénaturation de la cellulose, à un abaque préétabli, notamment par analyses par DSC d’échantillons de ce matériau présentant différents taux d’humidité.
A titre d’exemple, pour la méthode de DSC il peut être mis en oeuvre une rampe de chauffe de 20 °C/min. La température de transition vitreuse est de préférence obtenue en réalisant la moyenne entre la température de début de l’évènement thermique observé lors du chauffage (température couramment dite « onset ») et la température au milieu de cet évènement thermique (température couramment dite « midpoint »), qui peut être déterminée par la méthode des tangentes, bien connue de l’homme du métier.
Le chauffage de la matière cellulosique sous forme de particules à une température supérieure à la température de transition vitreuse du polymère cellulosique induit ainsi une réorganisation moléculaire au sein de la matière, qui a pour effet de densifier cette matière de manière particulièrement importante, bien plus que lorsque le chauffage est réalisé à une température inférieure à la température de température de transition vitreuse de cette matière, comme proposé notamment par le document WO 2012/069736.
De manière générale, pour les matières cellulosiques non-lignocellulosiques, la température de transition vitreuse du polymère cellulosique qui en est le principal constituant se situe dans une plage de valeurs entre 150 et 200 °C. Ainsi, dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l’invention, lorsque la matière cellulosique est du type non-lignocellulosique, la phase de chauffage du procédé est réalisée à une température comprise entre 150 °C et 210 °C.
De manière générale encore, pour les matières lignocellulosiques, telles que le bois, la température de transition vitreuse du polymère lignocellulosique qui en est le principal constituant se situe dans une plage de valeurs entre 170 et 220 °C. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l’invention, lorsque la matière cellulosique est du type lignocellulosique, la phase de chauffage du procédé est de préférence réalisée à une température supérieure ou égale à 190 °C, de préférence comprise entre 190 °C et 230 °C.
Lorsque la phase de chauffage du procédé selon l’invention est réalisée à une température supérieure ou égale à la température de transition vitreuse du polymère cellulosique qui y est présent, au cours de la phase de refroidissement le matériau modifié passe, de manière classique en elle-même, d’un état amorphe à l’état vitreux, non déformable. Le démoulage de la pièce fabriquée par le procédé selon l’invention est alors avantageusement facile.
La phase de refroidissement peut être réalisée de toute manière classique en elle-même, notamment par dissipation de chaleur à l’air ambiant.
Préférentiellement, la phase de refroidissement est réalisée le plus rapidement possible, en fonction de ce que permet l’appareillage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention.
Le procédé selon la présente invention est réalisé à sec. Il ne met avantageusement en œuvre aucun solvant. On entend par là que le matériau est soumis aux phases du procédé selon l’invention à l’état solide, et non en solution ou suspension dans un liquide. Selon l’invention le matériau peut cependant présenter un taux d’humidité très important, voire être fortement imprégné d’eau.
On obtient à l’issue du procédé selon l’invention une pièce formée d’un bloc de matériau solide présentant l’aspect esthétique, notamment les couleurs, ainsi que l’odeur, de la matière cellulosique de départ. Le bloc obtenu est avantageusement lisse, compact et densifié, et il présente une bonne cohésion et une bonne solidité. Sa structuration est homogène, et il est physiquement et esthétiquement stable. Ce matériau présente en outre une hygroscopie plus faible, et une densité plus élevée, que celles de la matière cellulosique de départ. La densification réalisée par mise en œuvre du procédé selon l’invention n’est associée à aucune perte de masse significative, et elle confère à la pièce obtenue des propriétés mécaniques tout à fait avantageuses, notamment une bonne résistance mécanique et une faible déformabilité, ainsi qu’une meilleure tenue à l’humidité que la matière cellulosique initiale. La pièce obtenue présente en outre un module de flexion et un module de traction similaires, voire meilleurs, à ceux de la matière cellulosique initiale.
La pièce obtenue par le procédé selon l’invention est en particulier bien plus dense que les pièces obtenues par des procédés similaires, mais dans lesquels la compression n’est pas maintenue pendant la phase de refroidissement.
Le matériau constituant cette pièce présente un degré de déformabilité qui peut avantageusement être contrôlé, par un choix adéquat des paramètres opératoires du procédé et du taux d’humidité initial de la matière cellulosique naturelle. En particulier, l’eau éventuellement présente dans la matière cellulosique naturelle initiale joue un rôle de plastifiant qui renforce la déformabilité du matériau obtenu.
Le procédé selon l’invention, simple et rapide à mettre en œuvre, permet avantageusement de maîtriser les propriétés du matériau final, notamment par ajout d’additifs adéquats à la matière cellulosique en amont de la phase de chauffage. Il permet également de maîtriser parfaitement la forme et les dimensions de la pièce formée, si bien qu’il est possible de fabriquer des pièces adaptées pour toutes les applications souhaitées.
A cet effet, le procédé selon l’invention peut être mis en oeuvre par compression de la matière cellulosique sous forme particulaire contenue dans un moule classique en lui-même, pouvant être de tout type, et pouvant présenter toute forme et toutes dimensions souhaitées. La phase de chauffage, puis la phase de refroidissement, au moins sous compression, sont alors réalisées sur la matière contenue dans ce moule. Un tel moule peut par exemple être formé en acier, en graphite, en carbure de tungstène ou en silicone.
Autrement, le procédé selon l’invention peut comprendre une étape préalable de préformage à froid de la matière cellulosique sous forme particulaire, pour former une préforme solide qui est ensuite soumise, pas nécessairement dans un moule, à la phase de chauffage, puis à la phase de refroidissement, sous compression, du procédé selon l’invention.
La matière cellulosique sous forme particulaire sur lequel le procédé selon l’invention est mis en oeuvre peut être de tout type et provenir de toutes origines.
La matière cellulosique peut être une matière sensiblement dépourvue de lignine, c’est-à-dire une matière non-lignocellulosique. On entend par là que cette matière cellulosique ne contient pas de lignine, ou seulement en très petite quantité, inférieure à 5 % en masse, de préférence inférieure à 3 % en masse. A cet égard, la matière cellulosique peut notamment être choisie parmi les résidus des fruits à coques, les tourteaux ou le marc de café, le cacao, les tourteaux de tournesol ou de colza, les drèches de vanille, les pétales de fleurs, les résidus végétaux agricoles, par exemple issus du chanvre, du riz, du lin, du coton, etc., les produits agricoles, tels que les graines, les feuilles de plantes, etc., et de manière plus générale être issue de tous les produits végétaux.
La matière cellulosique peut autrement être une matière lignocellulosique, telle que la paille, les racines ou le bois.
A cet égard, elle peut consister en tout type de bois, issu de toute espèce, et être de toute essence. Il s’agit notamment de déchets de l’industrie du bois ou de l’industrie papetière, ou encore de la sylviculture, par exemple de déchets de l’exploitation forestière.
La matière cellulosique initiale peut avoir subi toute transformation préalablement à la mise en oeuvre du procédé selon l’invention.
La matière cellulosique peut se présenter sous toute forme particulaire, notamment de broyât plus ou moins fin, copeaux ou sciure dans le cas du bois. Préférentiellement, la matière cellulosique à laquelle est appliqué le procédé selon l’invention se présente sous forme de particules de taille comprise entre 20 miti et 2 mm, notamment comprise entre 20 et 500 miti, ou encore entre 50 et 500 miti. La taille des particules s’exprime ici en termes de plus grande dimension des particules. Cette taille est mesurée par tamisage, notamment en voie sèche, pour les grandes valeurs, et granulométrie laser pour les plus petites valeurs.
Préférentiellement, les particules de matière cellulosique présentent une bonne homogénéité de taille.
Ces particules présentent en outre de préférence une bonne homogénéité de forme, dont il est notamment possible de s’assurer par observation au microscope électronique.
Le procédé selon l’invention est également applicable aux particules de matière cellulosique dont la taille est supérieure à 2 mm, et même dont la longueur est d’un ou plusieurs centimètres.
Le procédé selon l’invention peut en outre répondre à l’une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-après, mises en oeuvre isolément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l’invention, la phase de chauffage de la matière cellulosique à une température supérieure ou égale à 150 °C, de préférence à une température supérieure ou égale à 190 °C pour les matières lignocellulosiques, et préférentiellement, pour toutes les matières, à une température supérieure ou égale à la température de transition vitreuse du polymère cellulosique qui entre dans sa constitution, est mise en oeuvre pendant une durée comprise entre 1 et 30 minutes.
La mise en œuvre de la phase de chauffage peut être précédée d’une étape préalable de pré-compression à froid de la matière cellulosique sous forme particulaire, notamment lorsque la densité de cette matière initiale est faible.
La compression exercée pendant la phase de chauffage peut en particulier être réalisée à une pression supérieure ou égale à 15 MPa, notamment à une pression supérieure ou égale à 20 MPa.
Dans des variantes de l’invention, la phase de chauffage de la matière cellulosique est réalisée par la technique de thermomoulage à haute pression, et la compression est de préférence appliquée à une pression supérieure ou égale à 80 MPa, préférentiellement supérieure ou égale à 130 MPa pour ce qui concerne les matières lignocellulosiques, pendant la phase de chauffage, et de préférence à une pression supérieure ou égale à 50 MPa, notamment comprise entre 50 et 100 MPa, pendant la phase de refroidissement.
Le thermomoulage à haute pression, également nommé pressage à chaud, peut être mis en œuvre dans tout appareillage classique en lui-même.
Dans d’autres variantes de l’invention, la phase de chauffage de la matière cellulosique est réalisée par frittage flash, la matière cellulosique étant contenue dans un moule électriquement conducteur. La phase de refroidissement est de préférence réalisée dans le même dispositif de frittage flash, sans aucune manipulation intercalaire du matériau modifié qui y est contenu. La compression est alors de préférence appliquée à une pression supérieure ou égale à 20 MPa, préférentiellement comprise entre 20 et 50 MPa, pendant la phase de chauffage comme pendant la phase de refroidissement.
Le moule peut être formé en tout matériau électriquement conducteur adapté à cette application, notamment en métal, par exemple en acier, en graphite ou en carbure de tungstène.
La technique de frittage flash (dite SPS, pour l’anglais « Spark Plasma Sintering ») est bien connue de l’homme du métier. Elle consiste à faire passer un courant électrique pulsé à travers une matrice en matériau électriquement conducteur, contenant le matériau particulaire compacté selon une direction uniaxiale. Ceci provoque le chauffage du matériau par effet Joule et conduction électrique et thermique, et ce même si la matière cellulosique initiale n’est pas électriquement conductrice, grâce à la propriété de conductivité électrique du moule qui la contient.
Dans le cadre du procédé selon l’invention, cette technique peut être mise en oeuvre dans un dispositif de frittage flash classique en lui-même, et selon des conditions opératoires également classiques en elles-mêmes. L’outillage utilisé peut par exemple consister en des matrices et pistons en graphite, mais tout autre matériau conducteur d’électricité, notamment l’acier, est également adapté.
La mise en oeuvre conformément à l’invention de la technique de frittage flash permet d’obtenir un matériau final particulièrement dense, de structure très homogène et présentant des propriétés mécaniques particulièrement bonnes et une bonne usinabilité, et qui plus est de bel aspect esthétique.
Dans des variantes encore différentes de l’invention, le chauffage de la matière cellulosique est réalisé par induction, ladite matière cellulosique étant contenue dans un moule électriquement conducteur. Là encore, ce moule peut être formé en tout matériau électriquement conducteur, en particulier en métal, notamment en acier, ou en carbure de tungstène par exemple.
La technique d’induction est elle aussi bien connue de l’homme du métier. Selon cette technique, un champ électrique est impulsé par un filament de cuivre dans le moule d’induction. Se crée alors un champ magnétique qui permet de créer localement un courant électrique. Ce courant électrique constitue une source de chauffage du moule en des points localisés. La chaleur se diffuse alors par conduction dans le moule, et dans la matière qui y est contenue.
Dans un tel mode de mise en oeuvre de l’invention, préférentiellement, la compression est appliquée à une pression comprise entre 5 et 10 MPa, pour la phase de chauffage comme pour la phase de refroidissement.
Le procédé selon l’invention met de préférence en oeuvre un dispositif muni d’un système qui injecte de l’eau dans le moule d’induction sous une forte pression, ce qui permet de diminuer rapidement la température du moule et donc du matériau contenu dans ce moule, tout en maintenant la compression. Un tel contrôle du refroidissement s’avère tout à fait avantageux, notamment en ce qu’il permet de refroidir le matériau modifié de manière très rapide.
Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l’invention utilisant la technique de chauffage par induction, le temps total de mise en oeuvre du procédé selon l’invention, comprenant la montée initiale en température, la phase de chauffage puis la phase de refroidissement, est ainsi de préférence compris entre 4 et 10 minutes.
Le procédé selon l’invention peut être mis en oeuvre à pression atmosphérique ou à pression réduite.
Préférentiellement, les gaz se dégageant de la matière cellulosique lors de la phase de chauffage sont évacués en continu du dispositif utilisé. Ainsi, le procédé selon l’invention comprend de préférence, au cours de la phase de chauffage, et préférentiellement également au cours de la phase de refroidissement, une étape de dégazage en continu de l’enceinte contenant la matière cellulosique sur laquelle le procédé est mis en oeuvre.
Préalablement à l’étape de chauffage, le procédé selon l’invention peut comprendre des étapes de nettoyage, triage et/ou dégraissage de la matière cellulosique, ainsi, le cas échéant, qu’une ou plusieurs étapes préalables de broyage de cette matière, de sorte à assurer qu’elle se présente sous une forme particulaire, et si nécessaire à la granulométrie souhaitée.
Dans des modes de mise en oeuvre de l’invention, particulièrement adaptés aux matières lignocellulosiques, et notamment au bois, le procédé comprend une étape préalable de pré-broyage, notamment de sorte à obtenir des morceaux de taille, notamment de plus grande dimension, comprise entre 500 miti et 3 cm, puis une étape de cryomicronisation, pour former une poudre dont la taille des grains, mesurée par exemple par analyse granulométrique par voie sèche, est comprise entre 60 et 400 miti.
Durant l’étape de refroidissement, il peut être appliqué une compression du matériau modifié à la même pression que durant l’étape de chauffage, ou à une pression différente, qui peut aussi bien être inférieure que supérieure. Une compression à une pression supérieure à la pression appliquée durant la phase de chauffage est notamment particulièrement avantageuse pour le traitement des matières cellulosiques non-lignocellulosiques.
Comme exposé ci-avant, un maintien de la compression du matériau modifié pendant l’étape de refroidissement, et particulièrement dans les plages de valeurs définies ci-dessus, permet avantageusement de limiter le degré de porosité dans le matériau final obtenu, et, par voie de conséquence, la quantité d’eau contenue dans ce matériau. Il en résulte des propriétés de solidité mécanique et structurelle particulièrement bonnes pour le matériau obtenu à l’issue de la mise en oeuvre du procédé selon l’invention.
Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l’invention, la phase de chauffage de la matière cellulosique est mise en oeuvre à une température, et pendant une durée, qui sont suffisantes pour assurer que l’intégralité de la matière cellulosique soumise au chauffage ait atteint une température supérieure ou égale à la température de transition vitreuse du polymère cellulosique entrant dans sa constitution. Une durée de la phase de chauffage comprise entre 1 et 30 minutes, à une température supérieure ou égale à 190 °C, permet de l’assurer quelles que soient les dimensions de la pièce à former, et notamment son épaisseur, pour la grande majorité des matières cellulosiques, y compris lignocellulosiques, de taux d’humidité inférieur à 30 %.
La matière cellulosique sous forme particulaire sur laquelle est mise en oeuvre le procédé selon l’invention présente de préférence un taux d’humidité compris entre 0 et 30 %. L’invention s’applique cependant également à des matières cellulosiques sous forme particulaire de taux d’humidité supérieur, notamment aussi élevé que 65 %.
On définit ici le taux d’humidité, de manière classique en elle-même, comme le pourcentage en masse d’eau contenue dans la matière, par rapport à la masse totale de la matière, dans des conditions de 60 % d’humidité relative de l’air et à 20 °C environ. Ce taux d’humidité peut notamment être déterminé par comparaison du poids d’un échantillon de la matière avec le poids de ce même échantillon après qu’il ait été soumis à une étape de séchage à plus de 100 °C jusqu’à obtenir un poids de l’échantillon sensiblement constant, typiquement pendant 24 à 48 heures.
Le cas échéant, le procédé selon l’invention peut comprendre une étape préalable de séchage de la matière cellulosique, par exemple en étuve, pour obtenir le taux d’humidité souhaité.
Préalablement à la mise en oeuvre de la phase de chauffage, le procédé selon l’invention peut comprendre une étape de mélange de la matière cellulosique sous forme particulaire avec un ou plusieurs additifs, choisis en fonction des propriétés souhaitées pour la pièce finale. Des exemples non limitatifs de tels additifs sont les agents plastifiants, les fibres de renfort, les colorants, etc.
Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l’invention, la matière cellulosique n’est mélangée à aucun autre composant pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention.
Dans d’autres modes de mise en oeuvre particuliers de l’invention, préalablement à la mise en oeuvre de la phase de chauffage, le procédé selon l’invention comprend une étape de mélange de la matière cellulosique sous forme particulaire avec un ou plusieurs additifs, ces additifs étant présents dans le mélange dans une quantité inférieure à 5 % en poids, par rapport au poids total du mélange.
Des additifs particulièrement préférés dans le cadre de l’invention sont les agents plastifiants, tels que le glycérol ou l’eau (l’eau étant mise en oeuvre, en tant qu’additif, pour augmenter le taux d’humidité du matériau naturel), et les substances colorantes, tels que les pigments, par exemple l’oxyde de fer.
Selon un autre aspect, la présente invention concerne une pièce obtenue par un procédé de fabrication selon l’invention, répondant à l’une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-avant.
Le matériau qui constitue cette pièce présente une plus faible hygroscopie, c’est- à-dire une plus faible tendance à absorber l’humidité de l’air, que celle de la matière cellulosique initiale. Ainsi, dans des conditions d’humidité relative de l’air et de température identiques, le taux d’humidité du matériau final obtenu par le procédé selon l’invention, est plus faible que le taux d’humidité de la matière cellulosique initiale.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le matériau qui constitue cette pièce présente un taux d’humidité compris entre 0 et 75 %, dans des conditions de 60 % d’humidité relative de l’air et à une température de 20 °C.
En outre, la densité du matériau constituant la pièce selon l’invention est supérieure à celle de la matière cellulosique initiale.
La pièce selon l’invention peut avoir été obtenue par mise en oeuvre du procédé selon l’invention sur tout type de matière cellulosique, qu’elle soit non- lignocellulosique ou lignocellulosique, notamment sur tout type de bois, de toute essence et de toute provenance, y compris sur des mélanges de bois. Elle peut par exemple avoir été obtenue par mise en oeuvre du procédé selon l’invention sur du bois de genévrier, du bois d’acajou, du bois de chêne, du bois de hêtre, ou l’un quelconque de leurs mélanges, le cas échéant en mélange avec une ou plusieurs autres essences de bois.
La pièce selon l’invention peut être utilisée dans de nombreuses applications, notamment pour la fabrication de stylographes, de lunettes, d’éléments de coutellerie, d’étuis de parfum, de petits accessoires de mode, d’accessoires de décoration, d’habillage de supports, d’emballages divers, etc.
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lumière des exemples de mise en oeuvre ci-après, fournis à simple titre illustratif et nullement limitatifs de l’invention, avec l’appui des figures 1 à 2, dans lesquelles :
- la figure 1 représente les spectres obtenus par spectroscopie infrarouge (mode réflexion totale atténuée) obtenus pour, respectivement, un échantillon de bois d’acajou sous forme particulaire et un matériau obtenu à l’issue de la mise en oeuvre d’un procédé par thermomoulage à haute pression conforme à l’invention à partir d’un tel échantillon ;
- et la figure 2 représente les spectres obtenus par spectroscopie infrarouge (mode réflexion totale atténuée) obtenus pour, respectivement, un échantillon de bois de genévrier sous forme particulaire et un matériau obtenu à l’issue de la mise en oeuvre d’un procédé par thermomoulage à haute pression conforme à l’invention à partir d’un tel échantillon.
Exemples 1 à 3 - Thermomoulage du bois à haute pression
Dans ces exemples, sont mis en oeuvre des procédés conformes à l’invention dans lesquels la phase de chauffage est réalisée par thermomoulage à haute pression (HPHT), le bois sous forme particulaire étant placé dans un moule de forme hexagonale de 5 cm de largeur, dont chaque côté présente une longueur de 2,9 cm.
Le dispositif utilisé est une presse hydraulique 50 tonnes de la société Pinette Emidecau Industries.
Les bois mis en oeuvre se présentent sous forme de broyats de granulométrie comprise entre 250 et 500 miti.
Exemple 1 - Bois d’acajou
Le taux d’humidité de l’échantillon de poudre de bois d’acajou est égal à 17 %.
La température de transition vitreuse de la lignocellulose dans cet échantillon est d’environ 180 °C. La masse volumique de cette poudre est comprise entre 0,05 et 0,2 g/cm3.
10 g de poudre sont placés dans le moule, qui est chauffé à une température de 220 °C, supérieure à la température de transition vitreuse de la lignocellulose dans cet échantillon. La poudre est ensuite comprimée, à cette température, à une pression de 192 MPa, pendant 4 min. L’ensemble est ensuite refroidi à une température inférieure à 80 °C, toujours sous compression à une pression de 92 MPa.
La pièce obtenue est ensuite démoulée. Elle se présente sous forme d’un bloc compact de 4 mm d’épaisseur, de surface lisse, de coloration et d’odeur similaires à celles de la poudre de bois initiale. Sa masse volumique est comprise entre 1 ,2 et 1 ,6 g/cm3.
La poudre de bois d’acajou initiale et le matériau obtenu à l’issue du procédé sont analysés par spectroscopie infrarouge en mode ATR (réflexion totale atténuée). Les spectres obtenus sont montrés sur la figure 1 . Pour la zone entre 1250 cm-1 et 2000 cm-1, caractéristique de la lignine, il est à noter que les pics ne sont pas visibles pour le matériau final, car atténués en raison de la densité élevée de ce matériau. Ces pics sont tout de même présents, même si non visibles sur la figure. Les pics représentatifs de la cellulose, à 524 cm 1 , 899 cnr 1 et 1 100 cm-1 sont bien présents sur le spectre de la poudre initiale et sur le spectre du matériau final, ce qui atteste de l’absence de dégradation de la cellulose contenue dans la poudre d’acajou initiale lors de la mise en oeuvre du procédé selon l’invention. On n’observe en outre pas de pic supplémentaire sur le spectre du matériau final. Cette analyse par spectroscopie infrarouge confirme ainsi qu’il ne s’est pas produit de dégradation du polymère lignocellulosique du bois d’acajou lors de la mise en oeuvre du procédé selon l’invention.
Exemple 2 - Bois de genévrier
Le taux d’humidité de l’échantillon de bois de genévrier est égal à 7 %.
La masse volumique de cette poudre est comprise entre 0,05 et 0,2 g/cm3.
10 g de poudre sont placés dans le moule, qui est chauffé à une température de 210 °C, supérieure à la température de transition vitreuse de la lignocellulose contenue dans l’échantillon. La poudre est ensuite comprimée, à cette température, à une pression de 192 MPa, pendant 4 min. L’ensemble est ensuite refroidi, pendant 3 min, jusqu’à une température inférieure à 80 °C, toujours sous compression à une pression de 92 MPa.
La pièce obtenue est ensuite démoulée. Elle se présente sous forme d’un bloc compact de 4 mm d’épaisseur, de surface lisse, d’aspect vitrifié, de coloration et d’odeur très proches de celles de la poudre de bois initiale. Sa masse volumique est comprise entre 1 et 1 ,4 g/cm3.
La poudre de bois de genévrier initiale et le matériau obtenu à l’issue du procédé sont analysés par spectroscopie infrarouge en mode ATR (réflexion totale atténuée). Les spectres obtenus sont montrés sur la figure 2. Pour la zone entre 1250 cm 1 et 2000 cm 1 , les pics caractéristiques de la lignine sont atténués pour le matériau final, en raison de la densité élevée de ce matériau, mais sont bien toujours présents. Les pics représentatifs de la cellulose, à 524 cm-1, 899 cnr1 et 1 100 cm-1 , sont présents sur le spectre de la poudre initiale et sur le spectre du matériau final, ce qui atteste de l’absence de dégradation de la cellulose contenue dans la poudre de genévrier initiale lors de la mise en oeuvre du procédé selon l’invention. On n’observe en outre pas de pic supplémentaire sur le spectre du matériau final. Cette analyse par spectroscopie infrarouge confirme ainsi qu’il ne s’est pas produit de dégradation du polymère lignocellulosique du bois de genévrier lors de la mise en oeuvre du procédé selon l’invention.
A titre comparatif, une expérience similaire a été réalisée sur le même broyât de bois de genévrier, mais sans exercer de compression du matériau au cours de la phase de refroidissement. Au cours du refroidissement, on a observé une expansion de la matière et une perte de densité.
Exemple 3 - Mélange de bois de chêne et de bois de hêtre
Le taux d’humidité de l’échantillon de bois est égal à 12 %.
La masse volumique de cette poudre est comprise entre 0,05 et 0,2 g/cm3.
10 g de poudre sont placés dans le moule, qui est chauffé à une température de 210 °C, supérieure à la température de transition vitreuse de la lignocellulose contenue dans l’échantillon. La poudre est ensuite comprimée, à cette température, à une pression de 192 MPa, pendant 4 min. L’ensemble est ensuite refroidi à une température inférieure à 80 °C, toujours sous compression à une pression de 92 MPa.
La pièce obtenue est ensuite démoulée. Elle se présente sous forme d’un bloc compact de 4 mm d’épaisseur, de surface lisse, d’aspect vitrifié, de coloration et d’odeur proches celles de la poudre de bois initiale. Sa masse volumique est comprise entre 1 ,1 et 1 ,5 g/cm3.
Exemple 4 - Frittage Flash
Un procédé selon l’invention, dans lequel la phase de chauffage est réalisée par frittage flash, est mis en oeuvre sur du bois de genévrier sous forme de poudre de granulométrie comprise entre 250 et 500 miti.
Le taux d’humidité de cette poudre est égal à 7 %.
Sa masse volumique est comprise entre 0,05 et 0,2 g/cm3.
Le moule utilisé est un disque en graphite de diamètre 130 mm. L’outillage utilisé est un appareil HPD-125 (FCT Système Gmbh) comprenant des pistons en graphite.
150 g de poudre sont introduits dans le moule, qui est ensuite fermé par les deux pistons. L’ensemble est alors disposé dans l’enceinte du dispositif de frittage flash, qui est mise sous pression réduite, à 5-10 Pa. Le dispositif est alors programmé pour appliquer sur la matrice contenant la poudre une compression à une pression de 20 MPa.
Simultanément, l’ensemble est chauffé par effet Joule par un courant électrique traversant les pistons et passant par les parois de la matrice en graphite. L’ensemble est porté à une température de 130 °C, qui dans ces conditions de pression est supérieure à la température de transition vitreuse de la lignocellulose contenue dans l’échantillon et inférieure à sa température de dégradation.
Le contrôle de la température est réalisé grâce à un thermocouple inséré sur la paroi extérieure de la matrice. La température est maintenue à 130 °C pendant 10 min, à la suite de quoi le chauffage est coupé. La compression est maintenue à 20 MPa jusqu’à ce que la température à l’intérieur de la matrice atteigne une valeur de 60 °C.
Le dispositif est alors ouvert, et la pièce est ôtée de la matrice.
On obtient une pièce dense, colorée comme le bois de genévrier initial, présentant la même odeur, et de plus faible hygroscopie.
Exemple 5 - Chauffage par induction
Un procédé selon l’invention, dans lequel la phase de chauffage est réalisée par la technique de chauffage par induction, est mis en oeuvre sur du bois de genévrier sous forme de poudre de granulométrie moyenne d’environ 250 miti.
Le taux d’humidité de cette poudre est égal à 7 %.
La masse volumique de cette poudre est comprise entre 0,05 et 0,2 g/cm3.
Le moule utilisé est une plaque de 428 mm de long et 273 mm de large.
L’outillage est une presse 100T équipée d’un système induction composé de 2 générateurs de la société Roctool.
200 g de poudre sont introduits dans le moule.
La température est augmentée, en 1 min 30 s, jusqu’à 190 °C, puis maintenue à 190 °C, la poudre étant comprimée à une pression de 9,2 MPa, pendant 1 min. Le moule est ensuite refroidi jusqu’à une température de 40 °C, toujours sous la même compression, en 3 min 30 s.
Après démoulage, on obtient une pièce sous forme d’un bloc solide compact et dense, présentant une odeur et une coloration similaires à celles de la poudre initiale. Les propriétés mécaniques de la matière constituant cette pièce sont particulièrement bonnes.
Exemples 6 à 10 - Thermomoulage à haute pression de matières cellulosiques non-lignocellulosiques
L’appareil mis en oeuvre pour ces exemples est le même que celui utilisé pour les exemples 1 à 3.
Exemple 6 - Tourteau de café
Le taux d’humidité de l’échantillon est égal à 10,4 %, sa densité est égale à 0,6.
12 g de tourteau de café sont placés dans le moule, qui est chauffé à une température de 150 °C. La matière est ensuite comprimée, à cette température, à une pression de 81 MPa, pendant 2 min. L’ensemble est ensuite refroidi en 3 min jusqu’à la température ambiante, toujours sous compression mais à une pression de 92 MPa.
La pièce obtenue est ensuite démoulée. Elle se présente sous forme d’un bloc compact de surface lisse, avec un aspect vitrifié, de coloration similaire à celle du tourteau initial.
Exemple 7 - Drèches de vanille
Le taux d’humidité de l’échantillon est égal à 2,5 %, sa densité est égale à 0,8.
12 g de drèches de vanille, sous forme de morceaux de taille comprise entre 200 miti et 1 cm, sont placés dans le moule, qui est chauffé à une température de 180 °C. La matière est ensuite comprimée, à cette température, à une pression de 81 MPa, pendant 4 min. L’ensemble est ensuite refroidi en 3 min jusqu’à la température ambiante, toujours sous compression mais à une pression de 92 MPa.
La pièce obtenue est ensuite démoulée. Elle se présente sous forme d’un bloc compact de surface lisse.
Exemple 8 - Marc de café
Le taux d’humidité de l’échantillon est égal à 8 %, sa densité est égale à 0,7.
8 g de marc de café sont placés dans le moule, qui est chauffé à une température de 180 °C. La matière est ensuite comprimée, à cette température, à une pression de 81 MPa, pendant 4 min. L’ensemble est ensuite refroidi en 3 min jusqu’à la température ambiante, toujours sous compression mais à une pression de 92 MPa.
La pièce obtenue est ensuite démoulée. Elle se présente sous forme d’un bloc compact de surface lisse, avec un aspect vitrifié, et une odeur de café.
Exemple 9 - Tourteau de café / moule de forme simple
L’échantillon utilisé se présente sous forme d’une poudre de répartition granulométrique comme suit 78,2 % entre 800 miti et 1 mm ; 7,2 % entre 800 et 500 miti ; 9,8 % entre 200 et 500 miti ; 4,8 % entre 40 et 200 miti.
Le taux d’humidité de l’échantillon est égal à 10,4 %, sa densité est égale à 0,68.
Le moule utilisé présente une forme carrée de dimensions 7x7 cm.
30 g de l’échantillon de tourteau de café sont placés dans le moule, qui est chauffé à une température de 150 °C par le plateau inférieur de la presse et à 160 °C par le plateau supérieur, sous compression à une pression de 33 MPa. Le temps de maintien à la température cible est de 6 min. L’ensemble est ensuite refroidi jusqu’à 50 °C, toujours sous compression à la même pression.
La pièce obtenue est ensuite démoulée. Elle se présente sous forme d’un bloc compact d’épaisseur 4 mm, de coloration similaire à celle du tourteau initial et présentant une bonne plastification de surface. La densité du matériau est égale à 1 ,42. Les caractéristiques mécaniques de cette pièce sont déterminées comme suit. Des barreaux de 5 cm de long, 1 cm de large et 4 mm d’épaisseur sont découpés dans les échantillons carrés de 7x7 cm obtenus à l’issue du procédé. Le test de flexion 3 points est réalisé sur une machine Instron, avec une vitesse d’appui de 2,5 mm/min et un écartement de 40 mm. Le capteur d’enregistrement de la pression est un capteur de 500 N. On obtient ainsi des courbes de flexion / contrainte en fonction du déplacement, qui permettent de définir la contrainte maximale à rupture du matériau et son allongement en sollicitation en flexion. On obtient les résultats suivants : contrainte maximale en flexion 14 MPa, module de flexion 1400 MPa, flèche maximale 0,66 %.
La résistance au choc de barreaux similaires à ceux mis en oeuvre pour les tests en flexion est évaluée par le test de Charpy, au moyen Mouton pendule Charpy, équipé d’un mouton de 1 J. A cet effet, la pièce est posée sur un rebord et le mouton est lâché de son support. L’énergie retenue par le mouton pour casser le matériau est lue. On détermine ainsi que le matériau résiste à des chocs d’une intensité de 1 ,8 kJ/m2.
Exemple 10 - Tourteau de café / moule de forme complexe
L’échantillon utilisé est le même que dans l’exemple 9.
Le moule mis en oeuvre pour cette expérience présente la forme d’un galet plat à bord arrondi.
Les conditions opératoires sont les mêmes que pour l’exemple 9, à la différence qu’on utilise 18 g d’échantillon initial, et que la compression est réalisée à une pression de 50 MPa.
Après démoulage, on obtient une pièce à bord arrondi en matériau cohésif, qui ne s’effrite pas, qui présente une bonne plastification de surface. La densité du matériau est égale à 1 ,4.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’une pièce sous forme d’un bloc solide, à partir de matière cellulosique sous forme particulaire, comprenant les phases suivantes, ces phases étant réalisées à sec :
- une phase de chauffage de ladite matière cellulosique, seule ou en mélange avec une quantité inférieure à 5% en poids d’additif(s), par rapport au poids total du mélange, sous compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa, à une température supérieure ou égale à 150 °C,
- et une phase de refroidissement du matériau ainsi obtenu, dit matériau modifié,
ledit procédé étant caractérisé en ce que pendant la phase de refroidissement ladite compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa est maintenue jusqu’à ce que ledit matériau modifié ait atteint une température inférieure à 100 °C.
2. Procédé selon la revendication 1 , selon lequel pendant la phase de refroidissement du matériau modifié ladite compression à une pression supérieure ou égale à 5 MPa est maintenue jusqu’à ce que ledit matériau modifié ait atteint une température inférieure ou égale à 80 °C.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, selon lequel la matière cellulosique est sous forme de particules de taille comprise entre 20 miti et 2 mm.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, selon lequel la phase de chauffage de ladite matière cellulosique à une température supérieure ou égale à 150 °C est mise en oeuvre pendant une durée comprise entre 1 et 30 minutes.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, selon lequel la phase de chauffage de la matière cellulosique est réalisée par thermomoulage à haute pression, et ladite compression est appliquée à une pression supérieure ou égale à 80 MPa pendant la phase de chauffage et à une pression supérieure ou égale à 50 MPa pendant la phase de refroidissement.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, selon lequel la phase de chauffage de la matière cellulosique est réalisée par frittage flash, ladite matière cellulosique étant contenue dans un moule électriquement conducteur, et ladite compression est appliquée à une pression supérieure ou égale à 20 MPa.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, selon lequel le chauffage de la matière cellulosique est réalisé par induction, ladite matière cellulosique étant contenue dans un moule électriquement conducteur.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une étape préalable de broyage de ladite matière cellulosique.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, selon lequel la matière cellulosique sous forme particulaire présente un taux d’humidité compris entre 0 et 30 % dans des conditions de 60 % d’humidité relative de l’air et une température de 20 °C.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel la matière cellulosique est une matière lignocellulosique, notamment du bois.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel la matière cellulosique est dépourvue de lignine.
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