BE1028461B1 - Procédé d'encollage à sec pour la fabrication de panneaux de fibres ou de particules éco-performants et de couleur brillante, ou blanche - Google Patents

Procédé d'encollage à sec pour la fabrication de panneaux de fibres ou de particules éco-performants et de couleur brillante, ou blanche

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Abstract

Procédé de production de panneaux de fibres ou particules caractérisé en ce qu'il est ajouté tout ou partie des colles, additifs tels que pigments, agents blanchissants etc. sous forme d'une poudre solide dispersée sur une ligne de production après le séchage des fibres et avant la formation du matelas.

Description

Procédé d’encollage à sec pour la fabrication de panneaux de fibres ou de particules éco-performants et de couleur brillante, ou blanche.
L'introduction en 1956 du procédé « sec » de fabrication de panneaux de fibre a permis d'augmenter la vitesse de production, mais aussi de réduire le volume d’eau usée à traiter (Williams, 1995}.
De nos jours, une ligne de production de panneaux de fibres se compose typiquement de 14 étapes successives reprises sur la figure | annexée : 1. Le stockage des grumes de bois : les grumes peuvent être stockées à l’air libre ou ensilées et arrosées, 2. L’écorçage des grumes de bois : l'écorce est enlevée par une écorceuse à tambour ou à rotor. 3. Le déchiquetage en plaquettes : les grumes écorcées sont coupées en plaquettes de 5 à 25 mm d’épaisseur. 4. Le stockage des plaquettes : Les plaquettes sont stockées en silo. 5. Le nettoyage des plaquettes : Les plaquettes sont triées afin d’éliminer les tailles inférieurs à 2 mm et supérieures à 50 mm. Ensuite, elles sont lavées à l'eau, éventuellement chaude. 6. Le pré-chauffage des plaquettes : Le pré-chauffage à 50-60°C est une étape optionnelle dont l’objectif est d’assouplir les plaguettes pour faciliter le travail de la vis-sans-fin qui alimente le cuiseur. L’ajout de réactifs chimiques oxydants ou réducteurs peut être réalisé afin de réduire la consommation d'énergie du défibreur, de modifier les propriétés des fibres, dont la couleur et la blancheur de celle-
ci par des agents réducteurs, comme des sulfites et/ou des agents oxydants comme des peroxides... (Kibbiewhite et al, 1980 ; Allison, 1980 ; Pynnônen et al., 2004).
7. La cuisson des plaquettes : Les plaquettes sont traitées de 3 à 7 minutes dans un cuiseur sous pression de © à 10 bars de vapeur saturée à des températures de 175 à 195°C.
Les paramètres de l'étape de cuisson ont un impact important sur la couleur finale des fibres.
8. Le défibrage : Les plaquettes cuites alimentent un défibreur sous une pression de 8 à 10 bars de vapeur saturée.
Une valve réglable ajuste la pression et le débit de fibre à la sortie.
9, L'encollage dans la blowline : Les fibres et la vapeur saturée traversent une tuyauterie de 50 à 120 mm de diamètre en direction du séchoir.
La vitesse des fibres de l’ordre de 100 m/s et les fortes turbulences permettent de disperser les paquets de fibres.
La résine, généralement une colle urée- formaldéhyde (UF) et les additifs (hydrofuges, ignifuges, colorants, catalyseurs, etc.) sont injectés en solutions aqueuses et sous pression dans la blowline.
Une limite importante pour les solutions à injecter est la viscosité du liquide, généralement inférieure à 150 centipoises.
En général, la matière sèche présente dans la solution est d’au moins 50% pour limiter l’apport d’eau.
10.Le séchage : Dans un premier temps, les fibres traversent un séchoir flash d’un diamètre de 1 à 3m, d’une longueur parfois supérieure à 100 m à une vitesse d'environ 30 m/s et une température supérieure à 200°C.
Après un cyclonage, les fibres sont exposées à une température inférieure à 100°C favorable à la polymérisation de la résine. Un second cycicnage permet de diriger les fibres contenant 8 à 12 % d'humidité vers la formeuse. 11.La formation du matelas : Les fibres séches passent au travers d’un tamis afin d’éliminer les agrégats et forment un matelas homogène sur un tapis roulant dont la vitesse permettra de fixer l'épaisseur et la densité finale du panneau. La société Dieffenbacher
Gmbh a obtenu un brevet portant sur l'ajout d’une part de la colle et des additifs par aspersion juste avant la formation du matelas afin de réduire le besoin d’énergie pour le séchage, mais aussi pour éviter le pré-durcissement de la colle intervenant durant le séchage (EP2213431B1}. 12.Le pré-pressage : le matelas formé subit un pré- pressage afin de réduire la quantité d'air entre les fibres et d’éviter la dislocation du matelas de fibre lors du pressage à chaud. 13.Le pressage à chaud : Le matelas est pressé à chaud entre 175 et 190°C en continu ou durant un cycle de 1 à 5 minutes avec une pression entre 0,5 et 10,0 mégapascals. 14.Le panneau est ensuite laissé à refroidir et à durcir. 15,Finition : Le panneau est finalement poncé, découpé, et éventuellement orné (revêtement mélaminé, etc).
Bien que le bois constitue intrinsèquement une source d’émission de composés organiques volatils, il est indéniable que l’utilisation des résines, et les monomères volatiles qu’elles contiennent, pose un grave problème environnemental, mais surtout de santé humaine. C’est pourquoi, les résines sans formaldéhyde ajoutés, comme celles à base de phénols, de méthanodiphény!l diisocyanate,
de polyéthylène polyamines, etc…, sont également problématiques. De plus, les températures élevées auxquelles sont soumises ses résines durant le procédé de production classique augment la pression de vapeur de ses produits hautement réactifs. Enfin, le pressage à chaud induit l’entrainement d’autres composés chimiques par la vapeur d’eau (Wang et al, 2003).
Plus récemment, outre la toxicité, l’intérêt c’est porté sur l’entièreté du cycle de vie des productions industrielles. Les résines actuelles sont toutes issues de la pétrochimie et répondent difficilement aux attentes de durabilité et d’économie circulaire recherchées par notre société (Netravali et Pastore, 2015).
Durant les années 1990, des panneaux de MDF teintés dans la masse ont été mis au point et sont maintenant largement utilisés dans les domaines de l’ameublement, des jeux d'enfants, de la décoration, de l'agencement et de la construction.
Afin d'obtenir des couleurs plus brillantes et en vue de développer un panneau blanc dans la masse, la décoloration des fibres par voie chimique, l'ajout de pigment blanc et d'agents azurants ont été envisagés et brevetés (BASF,
EF1817145B1). Pourtant, la gamme de couleur qui a pu être développée reste limitée : gris clair, vanille, bleu clair…
En effet, les composés présents dans les résines, conjointement aux pressions et/ou températures élevées nécessaires sur la ligne, et particulièrement lors de la cuisson/défibrage, du séchage et de la pression à chaud, apportent une composante jaune importante à la couleur du panneau (Nicewicz et Kowaluk, 2015) . Ceci explique pourquoi le blanc teinté dans la masse n’a jamais été mis sur le marché jusqu’à présent.
La présente invention apporte une solution à plusieurs problèmes industriels concernant les panneaux de fibres et 5 de particules de bois de type OSB, MDF, LDF, HDF et autres composites lignocellulosiques.
L'invention permet : l. de réduire la consommation énergétique lors de la production de panneau, 2. de réduire l’émission de composés organiques volatiles, 3. d'augmenter la brillance des panneaux et d’obtenir des couleurs éclatantes cu un blanc dans la masse, 4. d'augmenter la durabilité du produit.
L'invention consiste à ajouter tout ou partie des colles, additifs, pigments, agents blanchissants, etc sous forme d’une poudre solide dispersée et distribuée par un équipement adapté. Comme décrit dans la figure 2, l’équipement intègre un système de stockage des poudres (21), un système de transport et de dosage des poudres (22), et enfin un système de soufflage des poudres (23) pour les incorporer au flux de fibre en suspension dans l'air dans la ligne de production {4}. Cet équipement (16) peut être incorporé sur une ligne de production de l’étape du séchage (figure 2), à celle de la formation du matelas (figure 3), et préférentiellement à la sortie des fibres du dernier cyclone du séchage (figure 4),
L'invention permet d'intégrer à la colle des polymères naturels ou non, des pigments solides et d’autres additifs, et surmonte la limite posée par la viscosité trop importante pour l'ajout sous forme liquide à la blowline ou à la formation du matelas (comme proposé dans le brevet EP2213431B1)., L’incorporation de poudre solide est réalisée pour une proportion de 2 à 50% (w/w) de fibre sèche, et préférentiellement de 5 à 20%.
L'invention permet de réduire la quantité d’eau ajoutée au [lux de fibre après le défibrage, ce qui permet de réduire la quantité de chaleur nécessaire pour le séchage, en corolaire, l’invention permet de réduire la température des gaz de séchage pour un débit de fibre équivalent, la réduction est de 5 à 60°C, et préférentiellement de 5 à 20°C.
L'utilisation de colle à basse temperature de durcissement permet de réduire la température de pressage à des températures de l’ordre de 100 à 175°C, et préférentiellement de 105 à 145°C, Cette réduction de température réduit d’une part l’émission de composés organiques volatiles, et d’autre part, réduit le
Jaunissement des panneaux formés autorisant la production de panneaux de couleurs brillantes ou blancs dans la masse.
Exemples
Des fibres de bois provenant d'une défibreuse ont été mélangées dans un tambour rotatif, avant de former un matelas, ensuite pressé à chaud. Des panneaux de 40X40 cm d’une épaisseur de 9 mm ont été formés, puis testés après 48 h.
Exemple 1 :
Composition du matelas (&4W/W, en pourcent de poids de matière sèche sur le poids de fibre sèche} : - Colle Protéines de lait : 24 - Cross-linker CA1130 - Solenis : 4,4% - Pigments : dioxide de titane : 4,2%
- Humidité des fibres : 10,2%
Cycle de pressage : - Durée du pressage : 6 min. - Température des plateaux : 140°C, - Pression maximale/temps de pressage max. : 9,5 MPa/46 secondes. - Temps pour atteindre 100°C au cœur du panneau : 2 min 26 sec.
Tests sur le panneau fini : - Densité (kg/m3) : 942 + 23 - Flexion (N/mm2)} : 34 + 3,3 - Humidité-24h {x} : 7,79 + 0,34
Exemple 2 :
Composition du matelas (W/W, en pourcent de poids de matière sèche sur le poids de fibre sèche) : - Colle Protéines de lait : 8% - Cross-linker CA1130 - Solenis : 4,4% - Humidité des fibres : 10,4%
Cycle de pressage : - Durée du pressage : 6 min 26 sec. - Température des plateaux : 150°C. - Pression maximale/temps de pressage max. : 9,1
MPa/106 secondes. - Temps pour atteindre 100°C au cœur du panneau : 2 min 40 sec.
Tests sur le panneau fini : - Densité ({kg/m3} : 870 + 27 - Flexion (N/mm2} : 35 + 5,1 - Humidité-24h (8) : 8,02 + 0,56
Exemple 3 :
Composition du matelas (2W/W, en pourcent de poids de matière sèche sur le poids de fibre sèche) : - Colle Protéines de lait : 15% - Catalyseur percarbonate de sodium : 0,4% - Humidité des fibres : 10,1%
Cycle de pressage : - Durée du pressage : 6 min 5 sec. - Température des plateaux : 120°C, - Pression maximale/temps de pressage max. : 7,1 MPa/45 secondes. - Temps pour atteindre 100°C au cœur du panneau : 2 min 07 sec.
Tests sur le panneau fini : - Densité (kg/m3) : 833 + 14 - Flexion {N/mm2} : 32 x 2,8 - Humidité-2dh (4) : 7,16 + 0,26
Exemple 4 :
Composition du matelas (#W/#W, en pourcent de poids de matière sèche sur le poids de fibre sèche) : - Colle Protéines de soja : 15% - Catalyseur percarbonate de sodium : 0,6% - Huile de lin : 25 - Humidité des fibres : 9,3%
Cycle de pressage : - Durée du pressage : 7 min 30 sec. - Température des plateaux : 105°C. - Pression maximale/temps de pressage max. : 7,2 MPa/75 secondes. - Temps pour atteindre 100°C au cœur du panneau : 3 min 25 sec.
Tests sur le panneau fini :
- Densité (kg/m3) : 1002 + 33 - Elasticité (N/mm2) : 3076 + 56 - Humidité-24h (2) : 7,89 + 0,44 - Gonflement-24h ({(#) : 10,88 + 0,24 - Couleur CIELAB : L*=75 ; ax=2,6 ; b*=7,5
Exemple 5 :
Composition du matelas (3W/W, en pourcent de poids de matière sèche sur le poids de fibre sèche) : - Colle Protéines de lait : 19% - Humidité des fibres : 10,23
Cycle de pressage : - Durée du pressage : 6 min 55 sec, - Température des plateaux : 115°C. - Pression maximale/temps de pressage max. : 11,9
MPa/48 secondes. - Temps pour atteindre 100°C au cœur du panneau : 2 min 22 sec.
Tests sur le panneau fini : - Densité (kg/m3) : 1097 x 71 - Elasticité (N/mm2) : 32204 246 - Humidité-24h (%) : 10,44 + 5,56 - En résumé, l’invention consiste à ajouter tout ou partie des colles, additifs, pigments, agents blanchissants, etc sous forme d’une poudre solide dispersée et distribuée par un équipement adapté sur une ligne de production de l’étape du séchage à celle de la formation du matelas, et préférentiellement à la sortie des fibres du dernier cyclone du séchage. - L'équipement intègre un système de stockage des poudres, un système de transport et de dosage des poudre, et enfin un système de soufflage des poudres pour les incorporer au flux de fibre en suspension dans l’air. - L’incorporation de poudre solide est réalisée pour une proportion de 2 à 50% (w/w) de fibre sèche, et préférentiellement de 5 à 20%, - L’invention permet de réduire la température des gaz de séchage pour un débit de fibre équivalent, la réduction est de 5 à 60°C, et préférentiellement de 5 à 20°C. - L'utilisation de colle à basse température de durcissement permet de réduire la température de la presse à des températures de l’ordre de 100 à 175°C, et préférentiellement de 105 à 145°C. - Les caractéristiques précédentes cumulées permettent d'une part, la production de panneaux de couleurs brillantes ou blancs dans la masse.
Bibliographie scientifique
Williams, W. The panel pioneers: an historical perspective. Wood Based Panels International 17 (September): 6 {1995}.
Kibblewhite, E.F. Brookes, Diane and Allison, R.W. Effect of ozone on the fibre characteristics of thermomechanical pulp. Tappi. 63(4}):135 (1980).
Allison, R.W. Low Energy Fulping Through Ozone
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For. Prod. J.,49(3), 65-72.A. (1999).
Netravali N. and Pastore C. M. Sustainable Composites:
Fibers, Resins and Applications. Destech Publications
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Nicewicz et Kowaluk, Changes of surface brightness of MDF boards. Ann. WULS - SGGW, For. and Wood Technol. 92, (2015)
Brevets
Dieffenbacher, EP2213431B1
BASF, EP16517/145B1

Claims (6)

Revendications
1. Procédé de production de panneaux de fibres ou particules caractérisé en ce qu’il est ajouté tout ou partie des colles, additifs tels que pigments, agents blanchissants etc. sous forme d’une poudre solide dispersée sur une ligne de production après le séchage des fibres et avant la formation du matelas.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la dispersion se fait entre la formation de l’épate du séchage et la formation du matelas, et préférentiellement à la sortie des fibres du dernier cyclone du séchage.
3. Procédé selon n’importe laquelle des revendications précédentes dans lequel on utilise un équipement intégrant un système de stockage des poudres, un système de transport et de dosage des poudre, et enfin un système de soufflage des poudres pour les incorporer au flux de fibre en suspension dans l’air.
4. Procédé selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel l’incorporation de poudre solide est réalisée pour une proportion de 2 à 505 {w/w) de fibre sèche, et préférentiellement de 5 à
208. 5, Procédé selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel la température des gaz de séchage varie de
6. Procédé selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel! on utilise une colle à basse température de durcissement permettant de réduire la température de la presse à des températures de l’ordre de 100 à 175°C, et préférentiellement de 105 à 145°C.
7, Procédé selon n’importe laquelle des revendications précédentes dans lequel la colle utilisée est une colle à case de protéines, p.e, protéines de lait ou de soja.
8, Frocédé selon n'importe laquelle des revendications précédentes pour la production de panneaux de couleurs brillantes ou blancs dans la masse.
9, Fanneau de fibres obtenu selon un procédé de l’une quelconque des revendications précédentes. 10, Panneau selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il s’agit d'un panneau MDF de couleur blanche teinté dans la masse.
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