OA21401A - Matériau à base de fibre de bananier, son procédé de fabrication et ses utilisations. - Google Patents

Abstract

L'invention est un matériau entièrement biodégradable, constitué uniquement de fibres végétales extraites du tronc et de la hampe ou tige du bananier, du genre Musa et pouvant être utilisé comme emballage, support d'impression, simple support ou bourrage. Le matériau conforme à l'invention est un feuillet d'un millimètre à plusieurs millimètres d'épaisseur, obtenu suite aux opérations de broyage, déshydratation, de compression de séchage et de lissage. Il est utilisé comme emballage simple ou pour encartonnage, comme support d'impression, support ou dossier, et pour la confection des sacs d'emballage.

Description

DESCRIPTION DE L’INVENTION

Matériau à base de fibre de bananier, son procédé de fabrication et ses utilisations

L’invention concerne un matériau à base de fibres végétales extraites du tronc et de la hampe ou tige du bananier, plante du genre Musa et se présentant sous forme de feuillets minces ou épais, rigides, flexibles et résistants.

Le domaine technique de la présente invention est la fabrication des matériaux, particulièrement les matériaux utilisés comme emballage, bourrage et support d’impression ou simple support.

L’invention concerne aussi le procédé de préparation du matériau et ses différentes formes d’utilisation.

Les matériaux à base de fibres végétales sont en général des matériaux composites biosourcés ou biocomposites, utilisés pour diverses raisons. La propriété la plus recherchée des matériaux biocomposites est l’allègement, surtout dans le secteur du transport. En effet, des matériaux plus légers permettent de diminuer les émissions de gaz à effet de serre (GES), en particulier de dioxyde de carbone (CO2), dont les transports sont responsables à plus de 30 %.

Une fibre végétale est une expansion cellulaire filiforme et morte, principalement composée de cellulose, d'hémicelluloses, de lignines, et de pectines. Elle est isolée ou compose avec d'autres un faisceau. Les fibres végétales sont issues de produits végétaux comme le coton, le lin, le chanvre, le jute, le coco, la bagasse et bien d’autres encore. Leurs propriétés mécaniques sont très proches de celles des fibres de verre, et leurs propriétés spécifiques rapportées à la densité sont meilleures que celles du verre. Leurs propriétés sont supérieures aux fibres de verre tout en étant plus légères.

L’utilisation des fibres végétales pour la confection de matériaux ne date pas de nos jours. En effet, déjà au XIXe siècle, les plantes à fibres, notamment le lin et le chanvre étaient largement cultivées pour leurs fibres qui servaient à alimenter l'industrie textile, l'industrie papetière, et la marine à voile. Cependant, les évolutions techniques des outils tels que le métier à tisser, la machine à vapeur et les techniques de récolte et de transformation du coton ont fait chuter la demande en fibres végétales.

Le processus d’extraction de la fibre végétale est composé en général de trois étapes principales qui sont les suivantes :

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- la décortication : elle consiste à désolidariser la matière ligneuse et la fibre. Cette étape peut être réalisée chimiquement par l’utilisation de chimie dure : acide fort, base forte, ou biologiquement par l'utilisation de microorganismes. Lorsque l’opération réalisée biologiquement, elle est appelée rouissage. Les tiges de végétaux sont étalées sur une surface et laisser à la merci des éléments naturels de la terre que sont les microorganismes et l'eau de pluie pour séparer la matière ligneuse de la fibre. C’est un processus enzymatique naturel au cours duquel les micro-organismes présents sur les pailles ; bactéries et champignons, facilitent la séparation des fibres présentes à la périphérie des tiges, en dégradant le liant pectique grâce à leurs enzymes.

- la séparation : elle permet de séparer les différentes fractions végétales obtenues. Cette étape de défibrage va permettre de donner aux fibres une « morphologie » adaptée aux besoins applicatifs spécifiques. On obtient ainsi :

* des fibres décimétriques, ou fibres [dm] : elles sont destinées à l’élaboration d’unidirectionnels, de fils et de rovings. Ceux-ci permettent de fabriquer des tissus à destination des pièces composites ;

* des fibres centimétriques, ou fibres [cm] : elles permettent notamment la production de matériaux non tissés à destination des procédés de thermocompression ;

* et des fibres millimétriques ou fibres [mm] qui permettent la production de compounds, utilisés pour la fabrication de pièces plastiques injectées.

- l’affinage qui permet de réduire le nombre de fibres unitaires par faisceau.

Même s’il existe encore de nombreux freins à la démocratisation des fibres végétales, dus au manque de leur parfaite maîtrise, leur utilisation induit une réduction de l'empreinte environnementale et permet de fabriquer des matériaux trouvant leurs applications dans l’allègement, l’amortissement des vibrations, l’isolation acoustique, l’esthétisme et dans les opérations de génie écologique pour le paillage et les géotextiles, souvent utilisés comme emballages. A titre d’exemple, on retrouve ainsi les matériaux biocomposites dans différentes pièces automobiles telles que les tableaux de bord, le passage des roues, les panneaux de portières ou encore l’isolation acoustique et dans la confection d’emballage et de papier.

L’emballage est un objet destiné à contenir et à protéger des marchandises, à permettre leur manutention et leur acheminement du producteur au consommateur ou à l’utilisateur, et à assurer leur présentation. Les emballages sont confectionnés à partir de divers matériaux : métal,

[3] plastique, papier, polystyrène, verre et bien d’autres encore. Même si on trouve aujourd’hui des utilités telles que le marketing et la publicité à l’emballage, il faut noter que d’une façon générale, on lui attribue trois fonctions principales : embellir, protéger ou dissimuler afin de faciliter les opérations de manutention et de transport. En effet, l'emballage protège un produit ou un article contre les agressions externes tels que les chocs, les intempéries, les infections et les affections afin d'assurer et faciliter sa conservation, son transport et sa distribution.

Les supports d’impression sont des surfaces utilisées en imprimerie ou en sérigraphie pour apposer des écritures, des photos, des décorations pouvant également servir à faire de la publicité.

Les bourrages sont des corps utilisés pour combler le vide d’un volume afin de le rendre rigide ou compact ou mou. Quant au support ou dossier, c'est un matériau compact et solide utilisé pour accroître la résistance d’un autre, plus faible.

Les matériaux d’emballages courants sont le papier, le plastique, le verre. Le verre et la plastique représentent 50 % en volume et 30 % en poids des déchets ménagers et posent de nombreux problèmes d’environnement. En effet, ces matériaux ne sont pas biodégradables. Et mal recyclés, ils finissent généralement dans les milieux naturels où ils polluent la flore et la faune, posant ainsi de réels problèmes de développement durable.

Le papier est un matériau en feuilles minces fabriqué à partir de fibres végétales provenant de plantes riches en cellulose telles que le bois. Le papier est un support d'écriture et de dessin pouvant également servir de support et de bourrage. Le carton est un papier épais et rigide. Le papier kraft originellement fabriqué à partir de chanvre de Manille, est aujourd'hui produit à partir de pâte à papier de bois de résineux, pin ou sapin. Il peut être utilisé blanchi, noirci ou de différentes couleurs, pour faire des papiers cadeaux ou en arts décoratifs et beaux-arts. Il est également utilisé dans l'édition, blanchi puis éventuellement coloré dans des teintes fantaisistes. Cependant l’utilisation du bois comme matière première pour la fabrication du papier contribue de façon très significative à la déforestation.

Le polystyrène expansé est un matériau de synthèse utilisé entre autres comme support et bourrage. Bien qu’assumant très bien ce rôle, ce matériau présente l'inconvénient de ne pas être biodégradable et de polluer notre environnement.

Afin d'obtenir des matériaux biodégradables plus écologiques, divers types de produits sont proposés de part et d’autre. Ainsi, la demande internationale PCT/FR2004/000439 déposée le 26

[4] février 2004 décrit une invention relative à un matériau à base de fibres végétales, constitué essentiellement de copeaux de peau de bananes et/ou de bananiers, son procédé de fabrication et à ses utilisations, sous forme de panneaux, de plaques ou de feuilles, en placage ou revêtement notamment, pour la réalisation de portes et de cloisonnements coupe-feu, dans des constructions immobilières par exemple, ou pour le confinement d'habitacles d'automobiles. En particulier dans le domaine du bâtiment, ledit matériau convient avantageusement, en particulier sous forme de panneaux et de plaques, à des utilisations comme isolant thermique, isolant acoustique et matériau ignifuge. Ledit matériau est obtenu suite aux opérations de pressage, de séchage, des copeaux de peau de bananes et/ou de bananiers. Cependant, ce matériau présente l’inconvénient d’être aggloméré avec 10 à 20% de liant à base de silicate de sodium ou de cellulose qui entache sa biodégradabilité. En outre, ce matériau sous toutes ses formes n’a pas la capacité d’être utilisé comme emballage, ou support d’impression ou encore comme bourrage.

Le but de la présente invention est de concevoir un matériau entièrement biodégradable, constitué uniquement de fibres végétales de la banane et pouvant être utilisé comme emballage, support d’impression, simple support ou bourrage.

Selon l'invention, ce but est atteint avec un matériau réalisé avec une matrice constituée purement de déchets végétaux que sont les fibres végétales extraites du tronc et de la hampe ou tige du bananier, plante du genre Musa.

La matériau conforme à l’invention est analogue au papier. C’est un broyât déshydraté, comprimé ou compressé, séché, puis lissé, de fibres de tronc et de hampe du bananier exclusivement, sans additif aucun. Selon l'épaisseur ou la densité de la couche de pâte traitée, le matériau résultant peut être un feuillet très fin ne mesurant qu’un millimètre d’épaisseur ou un feuillet épais de plusieurs millimètres d’épaisseur qui détermine sa résistance et son l’utilisation.

Le matériau conforme à l’invention a donc diverses utilisations selon son épaisseur, il peut servir d’emballage simple ou pour encartonnage, de support d’impression, de support ou dossier, et à confectionner des sacs d'emballage pour produits alimentaires et cadeaux selon les techniques de coupe et couture classiques. Le matériau est également directement utilisable pour le conditionnement de produits divers en vue de leur manutention.

Pour fabriquer le matériau selon l'invention, on met en œuvre un procédé qui comprend les étapes suivantes :

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- Extraction et empatage : les fibres végétales de la biomasse du bananier sont isolées et mélangées à l’eau, puis fortement agitées pour donner au bout d’une certaine duré une pâte très humide. Selon l'utilisation à laquelle le matériau est destiné, son épaisseur sera déterminée par la concentration de la pâte de fibres végétales ;

- Formation des couches fines ou feuillets : cette étape est menée par une opération de séparation solide-liquide, sous forte agitation qui permet d’éliminer l’excès d’eau. Il se forme alors à la fin de l’opération, une couche de pâte plus ou moins fine contenant encore un peu d’eau ;

- Pressage et séchage : cette étape permet d’éliminer totalement le reste de l’eau encore contenue dans les feuillets. La couche de pâte formée encore humide, soigneusement décollée de la surface de séparation est alors pressée fortement. Elle est enfin séchée pour éliminer l'eau résiduelle pour donner un feuillet plus ou moins épais, sec et plissé ;

- Lissage : le feuillet sec, rétracté et plissé subit une forte pression à chaud pour éliminer les plis afin de donner le matériau conforme à l’invention ;

Les utilisations du matériau conforme à l’invention sons très variées. Il peut servir en l’état après simple façonnage, comme support, dossier ou carton pour les plus épais. Le matériau mince peut être découpé selon les techniques habituelles de coupe et couture et assembler les moreaux par collage pour confectionner des sacs d’emballage de diverses capacités.

Le matériau selon l’invention présente de nombreux avantages à la fois écologiques et texturaux : il est totalement biodégradable, sa matière première est une biomasse habituellement encombrante et invasive, constamment renouvelée et qui n’entre pas en conflit avec les forêts. Permettant ainsi d’éviter la déforestation en épargnant l’utilisation du bois. De plus, il est assez rigide et résistant.

Les autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture du mode de réalisation non limitatif, illustré par la figure de la planche unique.

Ce mode de réalisation préféré décrit le procédé de fabrication d’un feuillet mince ou épais d’environ 1 mm d’épaisseur du matériau selon l’invention.

Dans un mode de réalisation préféré, le procédé de fabrication d’un feuillet mince du matériau conforme à l’invention peut se résumer en quatre étapes comme suit :

- Extraction et empatage : pour obtenir les fibres, la couche externe ou écorce du tronc et/ou de la tige du bananier est enlevée pour extraire les fibres végétales. Afin de former la pâte,

[6] les fibres extraites sont d'abord raffinées pour obtenir des filasses qui sont ensuite lavées, séchées et découpées en petit morceaux. Les morceaux de fibres sont ensuite portés à ébullition dans une solution de gros sel, de bicarbonate de sodium alimentaire et de vinaigre blanc ou d’hydroxyde de sodium (NaOH) pendant 2 à 3 heures ou encore de cendres pendant 8 heures. Dans un mode de réalisation préféré, cette opération se déroule sous pression dans une lessiveuse et permet de ramollir les fibres. Après refroidissement, les fibres ramollies sont rincées abondamment à l’eau pour éliminer la lignine et toute trace de produits chimiques. Enfin, les fibres épurées sont mélangées avec de l’eau et introduites dans un broyeur ou machine de dépulpage qui bat et écrase la solution en pulpe pour donner un mélange ayant l’apparence d’une boue appelée pâte.

Une variante du mode de réalisation préféré, est de mixer les fibres végétales obtenues dans une pile hollandaise en présence d’eau pour obtenir plus rapidement, soit en quelques dizaines de minutes la même pâte.

Dans une autre variante du mode de réalisation préféré, les fibres végétales sont directement déchiquetées ou défibrées dans des raffineurs en présence de vapeur d’eau ou broyer à l’aide de triturateurs sans les briser, avant de les mélanger à l’eau pour donner la pâte.

- Formation des feuillets : selon l’épaisseur de la couche à former, la solution de pâte est diluée ou non pour avoir un taux de matière sèche variant entre 5 et 20%, avant de subir une opération de séparation solide-liquide.

Dans un mode de réalisation préféré, la pâte est malaxée et filtrée ou tamisée pour éliminer la majeure partie de l’eau qu’elle contient. Le refus constitué de pâte concentrée de fibres est alors étalé sur une planche, ou décoller, décroché de la surface du tamis en le retournant sur un feutre en laine. On obtient après une série de plusieurs séparations, un empilement de feuillets encore humides intercalées entre les feutres.

Dans une variante du mode de réalisation préféré, la séparation se fait en continu en projetant la pâte sur une toile en mouvement. L’action filtrante de la toile combinée à un système de succion, permet d’extraire la majeure partie de l’eau contenue dans la pâte pour former un feuillet mince.

Pressage et séchage : les feuillets humides obtenus après séparation sont totalement déshydratés pour éliminer l’eau résiduelle qu’ils contiennent en utilisant une force pressante et une source d’air sec. En effet, la pile de feuillets humide un essorage suivi d’un séchage.

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Dans un mode de réalisation préféré, la pile de feuillets est pressée à l’aide d’une presse hydraulique permettant d’exercer une pression de près de 30 tonnes, ou entre des rouleaux afin d’éliminer le plus d’eau possible, avant d’être séché.

Dans un mode de réalisation préféré, les feuillets sont enfin exposés au soleil en 5 maintenant les feutres par des cintres sur une corde ou au contact d’immenses cylindres chauffés à la vapeur ou encore par la technique infrarouge, sur coussins d’air, ou aux micro-ondes pour éliminer l’eau résiduelle par évaporation. On obtient à l’issue de cette opération des feuillets secs et plissés.

- Lissage : les feuillets plissés, rétractés et gondolés sont rendus lisses en exerçant une îo pression sur eux pour donner le matériau conforme à l’invention.

Dans un mode de réalisation préféré, les feuillets sont passés sous une presse comportant des rouleaux chauffés appelés calandres, pendant un ou plusieurs jours.

Pour son utilisation, le matériau épais est façonné pour encartonnage, support ou dossier, ou encore pour impression décorative ou publicitaire. Le matériau mince est également utilisé 15 comme emballage, tel qu’obtenu ou support d'impression. Il peut aussi être découpé selon les techniques de coupe et couture pour confectionner des sacs d’emballage. Dans un mode de réalisation, le matériau est découpé aux dimensions requises à l'aide d'une machine à découper et les morceaux sont ensuite pliés, collés et cisaillés et imprimés pour donner des sacs d’emballage.

Claims (6)

1- Matériau à base de fibres végétales, caractérisé en ce que ledit matériau est constitué uniquement d’un broyât déshydraté, comprimé, séché, puis lissé, de fibres de tronc et de hampe du bananier du genre Musa, sans ajout d’additif, qui se présente sous forme de feuilles minces ou épaisses, rigide, flexible et résistant, utilisé comme emballage, support d’impression, simple support ou bourrage.

2- Matériau à base de fibres végétales selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau est un feuillet très fin ne mesurant qu’un millimètre d’épaisseur ou un feuillet épais de plusieurs millimètres d’épaisseur.

3- Utilisation de matériau à base de fibres de tronc et de hampe du bananier selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau peut servir directement d’emballage et confectionner des sacs d’emballages simples et en carton.

4- Utilisation de matériau à base de fibres de tronc et de hampe du bananier selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau, sert de support d’impression, pour décoration et pour publicité.

5- Utilisation de matériau à base de fibres de tronc et de hampe du bananier selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau sert de support, de dossier et de bourrage.

6- Fabrication de matériau selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes :

- Extraction et empatage, qui consiste à isoler les fibres végétales de tronc et de hampe du bananier et à les mélanger à l’eau, puis les agiter fortement pour donner une pâte très humide ;

- Formation des feuillets, qui consiste à éliminer l’eau par une opération de séparation solide-liquide, sous forte agitation pour donner une couche de pâte plus ou moins fine contenant encore un peu d’eau ;

- Pressage et séchage : qui consiste à éliminer totalement le reste de des feuillets en les pressant fortement et en faisant évaporer l’eau résiduelle pour donner des feuillets plus ou moins épais, sec et plissés ;

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- Lissage qui consiste à déplisser les feuillets secs en les faisant subir une forte pression à chaud.