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CA 02512753 2005-07-07
WO 2004/070112 PCT/FR2004/000014
I
FABRICATION D'UN VOILE EN FIBRES DE VERRE ET DE
CELLULOSE EN MILIEU CATIONIQUE
L'invention concerne un procédé de fabrication en milieu cationique d'un
voile comprenant des fibres de verre et des fibres de cellulose.
Les voiles comprenant des fibres cellulosiques et des fibres de verre
présentent à la fois une forte résistance à la traction et une forte
résistance à la
déchirure. Cette combinaison de propriétés font de ce type de matériau un
excellent candidat pour le renforcement des bardeaux ( shingle en anglais),
souvent appelés bardeaux canadiens . Ces bardeaux sont généralement
obtenus par imprégnation d'une structure fibreuse comme un voile par un
goudron
ou asphalte.
On entend par voile ( veil en anglais) un non-tissé constitué de filaments
complètement dispersés. Les voiles de la présente invention ont généralement
une masse surfacique allant de 20 à 150 g/m2 et plus particulièrement 30 à 130
g/m2, par exemple environ 100 g/m2.
Le WO 9913154 enseigne un procédé de préparation par voie humide d'un
voile verre/cellulose comprenant 5 à 15 % de liant. Selon ce document, la
dispersion des fibres est assurée en présence d'un modifieur de viscosité
anionique (Nalco 2388) et d'un dispersant dont la nature n'est pas précisée.
Le WO 0111138 enseigne un procédé de préparation en deux étapes
comprenant une première étape de préparation d'une suspension comprenant des
fibres de cellulose et un polymère cationique, une seconde étape de
préparation
d'une suspension comprenant des fibres de verre, un dispersant et un modifieur
de viscosité, ces deux suspensions étant ensuite réunis avant passage sur une
toile de formation. Ce document n'enseigne rien sur le caractère ionique ou
non
de l'eau de procédé au moment de son passage sur la toile de formation.
La solution aqueuse dans laquelle les fibres sont dispersées est appelée
eau de procédé. La demanderesse a découvert que la nature du caractère ionique
de l'eau de procédé au moment du passage de la suspension comprenant les
deux types de fibres sur la toile de formation revêtait une grande importance
pour
la qualité de la dispersion elle-même et en conséquence pour l'homogénéité du
voile formé. Le procédé selon l'invention est particulièrement simple car il
permet
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la mise en suspension en une seule étape et directement dans l'eau de procédé
à
la fois des fibres de verre et des fibres de cellulose.
La fabrication d'un voile en continu implique le passage d'un lit de fibres
dispersées par un ensemble de plusieurs dispositifs successifs devant chacun
appliquer aux dites fibres un traitement particulier. Le lit de fibres, après
sa
formation dans un dispositif de formation , traverse ensuite le cas échéant
un
dispositif de dépose de liant puis un dispositif d'étuvage . Le transport
du lit
au travers de ces dispositifs est réalisé grâce à des tapis défilants, le lit
pouvant
généralement être amené à passer d'un tapis à l'autre.
Le procédé selon l'invention comprend :
-une étape de mise en dispersion dans une eau de procédé de fibres
coupées de verre et de fibres de cellulose, puis,
-une étape de formation d'un lit dans un dispositif de formation par
passage de la dispersion sur une toile de formation à travers laquelle
l'eau de procédé est drainée, les fibres étant retenues sur ladite toile,
ladite dispersion présentant au moment dudit passage une charge
ionique positive (c'est-à-dire cationique) du fait que l'eau de procédé à
cet instant est elle même cationique, de préférence telle que 10
millilitres de l'eau de procédé à cet instant est neutralisable par 1 à 4
millilitres de solution titrante anionique à 1.10"3 N puis,
-une étape de traitement thermique dans un dispositif d'étuvage.
Selon l'invention, l'eau de procédé est cationique au moins dès que l'on
commence à lui ajouter des fibres. De préférence, l'eau de procédé ainsi que
la
dispersion qui la contient reste cationique au moins jusqu'au passage sur la
toile
de formation. Dans un procédé en continu recyclant l'eau de procédé, celle-ci
est
généralement en permanence cationique. Ainsi, le procédé peut être continu,
l'eau
de procédé étant recyclée et présentant un caractère cationique tout au long
de sa
boucle de circulation.
Le caractère cationique de l'eau de procédé est à l'origine d'une dispersion
favorable des fibres de verre et de cellulose dès l'introduction de celles-ci
dans
ladite eau, jusqu'au passage sur la toile de formation. Ainsi, selon
l'invention, il
n'est pas nécessaire de préparer une pré-dispersion à caractère cationique de
l'un
des types de fibre (cellulose ou verre) avant de mélanger lesdites fibres avec
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l'autre type de fibres. Notamment, Il n'est donc pas nécessaire par exemple
d'appliquer un polymère cationique (ni un autre produit à caractère
cationique) sur
la cellulose dans une dispersion préalable, avant de mélanger ladite cellulose
avec la fibre de verre dans l'eau de procédé. Il n'est pas non plus nécessaire
d'appliquer un polymère cationique (ni un autre produit à caractère
cationique) sur
la fibre de verre dans une dispersion préalable, avant de mélanger ladite
fibre de
verre avec la cellulose dans l'eau de procédé. Ainsi, ni la fibre de cellulose
ni la
fibre de verre ne sont généralement traitées par une espèce cationique avant
d'être introduits dans l'eau de procédé.
Le maintien d'un caractère cationique de l'eau de procédé n'exclut pas la
présence dans ladite eau si nécessaire d'ingrédients à caractère anionique,
non-
ionique ou amphotère (c'est-à-dire à la fois cationique et anionique) dès lors
que
globalement, grâce à la présence d'au moins un autre ingrédient à caractère
cationique, le caractère globalement cationique de l'eau de procédé est
assuré.
Généralement, l'eau de procédé contient au moins un dispersant cationique en
quantité suffisante pour que l'eau de procédé soit cationique.
Le caractère ionique de l'eau de procédé peut être déterminé par dosage
potentiométrique. Pour cela, on peut notamment utiliser un détecteur de charge
de
particules comme celui de marque Mütek PCD 03 et un titrateur Mütek Titrator
PCD-Two. Le principe de la méthode consiste à neutraliser un volume déterminé
(par exemple 10 ml) de l'eau de procédé dont on veut déterminer le caractère
cationique, par un volume mesuré d'une solution aqueuse titrante anionique.
Comme solution titrante, on peut par exemple utiliser une solution de
polyéthylène-sulfonate de sodium (dite Pes-Na ), par exemple à 10-3N. On
peut
exprimer le caractère cationique de l'eau de procédé par le nombre de
millilitres
de solution de Pes-Na nécessaires pour neutraliser 10 millilitres d'eau de
procédé
dosée.
De préférence l'eau de procédé est cationique de sorte que 10 ml d'eau de
procédé puisse être neutralisée par 1 à 10 ml de solution titrante anionique à
10-
3N et de manière encore préférée par 1,5 à 4 ml de ladite solution titrante
anionique.
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Ceci revient également à dire que de préférence, l'eau de procédé est
cationique de 1.10-4N à 1.10-3N et de manière encore préférée de 1,5.10"4N à
4.10"4N.
Pour être mises en dispersion dans l'eau, les fibres doivent pouvoir rester à
l'état individuel et ne pas se regrouper mélangées dans l'eau de procédé. Si
l'on
disperse dans l'eau des fils coupés, ensemble de fibres, ces fils doivent
pouvoir se
défilamentiser en dispersion dans l'eau. On entend par fil un ensemble de
filaments contigus et comprenant plus particulièrement de 10 à 2000 fibres.
Ainsi,
les fibres peuvent être introduites dans l'eau de procédé sous la forme de
fils
comprenant plus particulièrement 10 à 2000 fibres.
Les fibres de verre peuvent avoir été ensimées lors de leur fabrication, pour
être rassemblés le cas échéant sous forme de fils, notamment par des liquides
d'ensimage comprenant un organosilane et / ou un agent collant ( film former
en anglais ). Il est préférable dans ce cas de ne pas sécher les fibres avant
de les
mettre en dispersion dans l'eau, de façon à éviter qu'ils ne se collent entre
eux, ce
qui gênerait leur dispersion à l'état de filaments individuels.
Les fibres de cellulose sont généralement obtenues à partir de pulpe de
bois. Cette pulpe de bois est généralement obtenues à partir de feuilles
commerciales en carton que l'on ramollit avec de l'eau. Cette eau utilisée
pour
ramollire le carton sert ensuite au transport de la pulpe en direction de
l'installation
de réalisation de la dispersion. Ce mélange eau / pulpe contient généralement
juste l'eau suffisante pour pouvoir véhiculer la pulpe par écoulement. Ce
mélange
pulpe / eau avant d'atteindre le milieu de la dispersion contient généralement
de
70 à 99 % en poids d'eau et 1 à 30% en poids de cellulose.
La mise en dispersion dans l'eau de procédé des deux types de fibres peut
être réalisée, par exemple dans un pulpeur. Cette mise en dispersion peut être
réalisée dans un premier temps dans un pulpeur par exemple avec une proportion
de fibres telle que la somme de la masse fibres de verre + fibres de cellulose
aille
de 0,01% à 0,5% en poids de la somme du poids des fibres et de l'eau de
procédé.
De préférence, la dispersion fibres/eau de procédé au moment de passer
dans l'étape de formation du lit sur la toile de formation est telle que la
somme de
la masse des fibres représente 0,01 à 0,5% en poids de ladite dispersion et de
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préférence 0,02 à 0,05% en poids de ladite dispersion. La dispersion peut
subir
une diminution de concentration en fibres en passant du pulpeur au dispositif
de
formation du lit.
Dans l'eau de procédé, le rapport de la masse des fibres de verre sur celui
5 de la masse des fibres de cellulose est le même que celui souhaité dans le
voile
final.
L'eau de procédé peut comprendre un épaississant pour faire augmenter la
viscosité de l'eau de procédé. Cet épaississant peut être présent à raison de
0 à
0,5 % en poids dans l'eau de procédé. Cet épaississant peut par exemple être
une
hydroxyéthylcellulose (par exemple Natrosol 250HHR de Hercules).
L'hydroxyéthylcellulose est un composé de type anionique.
L'eau de procédé comprend généralement un dispersant cationique. Ce
dispersant cationique peut généralement être présent à raison de 0 à 0,1% en
poids dans l'eau de procédé. Ce dispersant cationique peut être par exemple la
guanidine ou une amine à chaîne grasse. On peut notamment utiliser l'aérosol C
61 commercialisé par CYTEC. Il peut également s'agir d'une alkylamine
polyoxylée.
On introduit de préférence l'épaississant de façon à ce que l'eau de
procédé présente à 20 C une viscosité comprise entre 1 et 20 mPa.s et de
préférence comprise entre 3 et 16 mPa.s.
La dispersion eau de procédé/fibres est agitée, puis envoyée sur une toile
de formation perméable laissant s'écouler l'eau de procédé à travers elle et
retenant les fibres à sa surface. L'eau de procédé peut être aspirée pour
améliorer
son évacuation. L'eau de procédé peut être recyclée pour être de nouveau
mélangée avec des fibres. Les fibres forment ainsi un lit en surface de la
toile de
formation.
Il n'est pas nécessaire de faire passer le lit formé par un dispositif
d'application d'un liant si l'on a déjà mis dans la dispersion un liant ou un
précurseur de liant du voile final.
Cependant, généralement, la dispersion ne comprend pas le liant ou le
précurseur du liant final, et ce liant où ce précurseur de liant sont
généralement
appliqués sur le voile dans un dispositif d'application du liant ou de son
précurseur
placé entre l'étape de formation du lit et l'étape du traitement thermique.
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Le voile final (sec après traitement thermique) comprend généralement 8 à
27 % en poids de liant et plus généralement 15 à 21 % en poids de liant, le
reste
de la masse du voile étant généralement constitué par la masse des fibres ce
qui
inclut les éventuels produits d'ensimage qui les recouvrent. Ainsi, le voile
final
comprend généralement
- 2 à 12 % de cellulose,
- 70 à 80 % de verre,
- 8à27%deliant.
Si l'on choisit d'appliquer au moins une partie du liant total par un
dispositif
d'application d'un liant, on applique généralement celui-ci sous la forme
d'une
dispersion aqueuse
- soit par trempage entre deux toiles de formation auquel cas le produit
maintenu entre les deux toiles est plongé dans un bain par
l'intermédiaire de paires de rouleaux,
- soit par dépôt sur le lit de fibres, par une cascade, ce qui signifie que la
dispersion aqueuse de liant est coulée sur la nappe de fibres selon un
filet perpendiculaire à ladite nappe et perpendiculaire au sens de
défilement de ladite nappe.
Le liant peut être du type de ceux habituellement utilisés dans ce genre de
réalisation. Notamment il peut s'agir d'acétate de polyvinyle (PVAc) plastifié
ou
styrène acrylique ou acrylique auto-réticulable ou urée formol ou mélamine
formol.
L'excès de liant peut être évacué par aspiration à travers la toile de
formation.
L'étape de traitement thermique à pour but d'évaporer l'eau ainsi que
réaliser les éventuelles réactions chimiques entre les différents constituants
et/ou
pour transformer le précurseur de liant en liant et/ou pour donner au liant sa
structure finale. Le traitement thermique peut être réalisé par chauffage
entre 140
et 250 C et plus généralement entre 180 et 230 C. La durée du traitement
thermique va généralement de 2 secondes à 3 minutes et plus généralement de
20 secondes à 1 minute (par exemple 30 secondes à 200 C). Le voile peut être
séché et traité thermiquement en étuve à air chaud à circulation au travers du
tapis.
La figure 1 représente schématiquement un procédé industriel de
préparation en continu d'un voile selon l'invention. Les fibres de verre sont
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introduites en (g) dans un pulpeur 1 et les fibres de cellulose sont
introduites en
(c) dans le même pulpeur 1 en présence d'eau de procédé et sous agitation pour
former une dispersion. Le mélange se déverse ensuite éventuellement dans un
bac de stockage 2 à travers la canalisation 3, la fonction du bac de stockage
étant
de d'augmenter la durée de mélange entre les filaments et l'eau de procédé. Ce
bac de stockage est facultatif. Le mélange est ensuite amené à travers la
canalisation 4 à la canalisation 5, laquelle rassemble le flux de mélange
provenant
de la canalisation 4 à un flux d'eau de procédé recyclé et provenant de la
caisse
de tête 6 ( head box en anglais) à travers la canalisation 7. A ce niveau,
la
teneur en fibres dans le mélange fibres/eau de procédé est fortement abaissée.
De l'eau de procédé est drainée en 14 et éventuellement aspirée en 15 à
travers
la toile de formation 8 et est recyclée par l'intermédiaire de la canalisation
17.
Cette eau recyclée est ensuite partagée en 16, par exemple pour environ 10%
pour retourner vers le pulpeur 1 à travers la canalisation 10 et pour environ
90%
pour retourner vers là caisse de tête 6 à travers les canalisations 9, 7 puis
5. La
circulation dans les canalisations est assurée par les pompes 11, 12 et 13. La
pompe 11 est appelée pompe principale ( fan pump en anglais). Le voile en
formation 18 fait ensuite un saut de tapis vers le dispositif d'étuvage 19
réalisant le traitement thermique, et le voile final est enroulé en 20.
L'invention permet la réalisation de voiles dont la résistance à la déchirure
peut même être supérieure à 430 voire supérieure à 450 gf tel que mesuré par
la
norme ISO 1974, et ce tout en montrant une forte résistance à la traction,
généralement supérieure à 22 kgf telle que mesurée selon la norme ISO 3342
adaptée en ce que la largeur du gabarit de découpe de l'éprouvette est de 50
mm
et que la vitesse de déplacement des pinces est de 50 mm/min 5 mm/min. Ceci
vaut notamment pour un voile selon l'invention dont le rapport massique
verre/cellulose (hors liant) va de 2,4 / 97,5 à 14,6 / 85,3.
EXEMPLE
Dans ce qui suit, on décrit un mode de réalisation de laboratoire non
continu. On prépare une eau de procédé cationique contenant :
0,25 % en poids d'hydroxyéthyl cellulose (de marque Natrosol 250HHR
de la société Hercules) en tant qu'épaississant,
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- 0,015% en poids d'Aérosol C61 de Cytec (tensio-actif complexe
d'alkylguanidine-amine-ethanol dans l'isopropanol ) en tant que
dispersant cationique,
- de l'eau pour compléter à 100% la composition de l'eau de procédé.
Elle présente le caractère cationique requis au sens de la présente
invention compte tenu de ce qu'on mesure 2,6 ml de contre-ion à une
concentration de 10-3N pour 10 ml d'eau de procédé.
On met dans 5 litres de cette eau de procédé:
- 3 grammes de suspension de fibre de cellulose dans l'eau dont les
caractéristiques sont : raffinage de 60 SR, siccité de 14,5% (soit 14,5 %
de matière sèche),
- 8 grammes de fibre de verre de diamètre filamentaire d'environ 13 pm
coupée à une longueur d'environ 18 mm.
La viscosité de l'eau de procédé est de 15 mPa.s à 20 C avant introduction
des fibres de cellulose et de verre.
Après 7 minutes de forte agitation de cette dispersion, on met cette pré-
dispersion dans une formette ( hand sheet mold en anglais) de laboratoire
rectangulaire (30 cm x 30 cm) contenant 25 litres de l'eau de procédé. L'eau
est
ensuite drainée et le mélange de fibres est récupéré sur une toile de
formation.
Le voile formé sur la toile passe sur une fente d'aspiration où l'eau de
procédé en excès est aspirée. La formette est ensuite imprégnée par un liant
(de
type urée-formaldéhyde auto-réticulable) en dispersion aqueuse par trempage
entre deux toiles de formation. L'excès de liant est évacué par passage sur
une
fente d'aspiration.
La feuille obtenue est ensuite séchée et traitée thermiquement en étuve à
air chaud 90 secondes à 200 C).
L'invention mène à un voile dont le grammage est de 100 g/m2. Ce voile
présente un niveau de résistance à la déchirure élevée. Le tableau ci-dessous
donne des valeurs de résistance à la traction et de résistance à la déchirure
en
fonction du rapport massique verre/cellulose :
Verre/cellulose 100/0 99/1 95/5 90/10 85/15 80/20
Déchirure (gf) 395 410 468 469 396 420
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Traction (kgf) 24 24 24 23 22 20
On constate que la résistance à la déchirure est supérieure de 19% pour
les voiles contenant 5 et 10 % de cellulose par rapport aux autres voiles,
tout en
ayant des résistances à la traction très élevées.
EXEMPLE COMPARATIF
Dans ce qui suit, on décrit un mode de réalisation de laboratoire non
continu. On prépare une eau de procédé anionique contenant :
- 0,0044% en poids de polyacrylamide anionique (de marque Nalco D
9641 de la société Nalco) en tant qu'épaississant,
- 0,0044% en poids d'alkylamine grasse éthoxylée (de marque
Schercopol DSB 140 de la société Scher Chemicals) en tant que
dispersant cationique,
- de l'eau pour compléter à 100% la composition de l'eau de procédé.
Elle présente le caractère anionique compte tenu de ce qu'on mesure 1,6
ml de contre-ion ( solution titrante cationique : Poly-DADMAC = Poly diallyl
dimethyl ammonium chloride) à une concentration de 10"3N pour 10 ml d'eau de
procédé.
On met dans 5 litres de cette eau de procédé:
- 3 grammes de suspension dans l'eau de fibre de cellulose dont les
caractéristiques sont : raffinage de 60 SR, siccité de 14,5% (soit 14,5 %
de matière sèche),
- 8 grammes de fibre de verre de diamètre filamentaire d'environ 13 pm
coupée à une longueur d'environ 18 mm.
La viscosité de l'eau de procédé est de 2,6 mPa.s à 20 C avant introduction
des fibres de cellulose et de verre.
Après 7 minutes de forte agitation de cette dispersion, on met cette pré-
dispersion dans une formette de laboratoire rectangulaire (30 cm x 30 cm)
contenant 25 litres de l'eau de procédé. L'eau est ensuite drainée et le
mélange
de fibres est récupéré sur une toile de formation.
La répartition des fibres sur la toile est très mauvaise . Il y a floculation
de
l'ensemble des fibres (verre et cellulose) due au caractère anionique de l'eau
de
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procédé. Le réseau fibreux ne comporte que des fibres réagglomérées. Il est
possible de passer sur une fente d'aspiration où l'eau de procédé en excès est
aspirée, d'imprégner les fibres par un liant (de type urée-formaldéhyde auto-
réticulable) en dispersion aqueuse par trempage entre deux toiles de
formation,
5 d'évacuer l'excès de liant par passage sur une fente d'aspiration et de
sécher et
traiter thermiquement la structure fibreuse en étuve à air chaud 90 secondes à
200 C.
Cependant, la structure fibreuse obtenue n'a aucune tenue et il est
impossible de réaliser des tests de résistance mécanique.
