FR3136465A1 - Process for preparing a thermoplastic cellulosic material - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de thermoplastification d’un matériau cellulosique, ledit procédé comprenant : La mise en contact d’un acide gras (AG) avec de l’anhydride trifluoroacétique (TFAA) ; et L’estérification d’un matériau cellulosique par réaction avec l’anhydride mixte obtenu à l’étape i), ce par quoi on obtient un matériau cellulosique thermoplastique, les étapes i) et ii) étant réalisées en l’absence de solvant, en particulier à température ambiante. Figure pour l’abrégé : néantThe invention relates to a process for thermoplasticizing a cellulosic material, said process comprising: bringing a fatty acid (FA) into contact with trifluoroacetic anhydride (TFAA); and The esterification of a cellulosic material by reaction with the mixed anhydride obtained in step i), whereby a thermoplastic cellulosic material is obtained, steps i) and ii) being carried out in the absence of solvent, especially at room temperature. Figure for abstract: none
Description
L’invention concerne un procédé de thermoplastification d’un matériau cellulosique. Elle concerne également le matériau cellulosique thermoplastique susceptible d’être obtenu selon ce procédé, sa mise en œuvre dans un procédé de formage à chaud, ainsi que le matériau cellulosique formé à chaud, susceptible d’être obtenu selon ce procédé.The invention relates to a process for thermoplasticizing a cellulosic material. It also relates to the thermoplastic cellulosic material which can be obtained according to this process, its implementation in a hot forming process, as well as the hot formed cellulosic material which can be obtained according to this process.
Les matières plastiques utilisées actuellement font en grande partie appel à l'utilisation de ressources pétrochimiques à l'origine d'importantes émissions de gaz à effet de serre. Par ailleurs certains plastiques sont difficilement biodégradables causant d'importants problèmes environnementaux.The plastic materials currently used largely rely on the use of petrochemical resources which cause significant greenhouse gas emissions. Furthermore, some plastics are difficult to biodegrade, causing significant environmental problems.
Afin de limiter cet impact environnemental, des matériaux composites à base de bois, dotés de propriétés thermoplastiques ont été développés récemment. Ces matériaux composites consistent en des mélanges de poudres de bois avec différentes matrices thermoplastiques (PE, PP, PVC), qui sont mis en forme par des techniques classiques d'extrusion notamment.In order to limit this environmental impact, wood-based composite materials with thermoplastic properties have recently been developed. These composite materials consist of mixtures of wood powders with different thermoplastic matrices (PE, PP, PVC), which are shaped using classic extrusion techniques in particular.
Toutefois, ces matériaux composites dont les propriétés thermoplastiques résultent principalement de la présence d’une matrice thermoplastique, restent principalement constitués de polymères d’origine pétrolière, et ne permettent donc qu’une réduction très limitée des émissions de CO2dans l’environnement liées à leur fabrication. En outre, ces matériaux composites restent difficilement biodégradables.However, these composite materials whose thermoplastic properties result mainly from the presence of a thermoplastic matrix, remain mainly made up of polymers of petroleum origin, and therefore only allow a very limited reduction in CO 2 emissions into the environment linked to to their manufacture. In addition, these composite materials remain difficult to biodegrade.
Il existe donc un réel besoin de disposer de matériaux thermoplastiques principalement constitués de ressources renouvelables, en remplacement des matières d’origine fossile, et ce de manière à réduire l’impact des matières plastiques sur l’environnement.There is therefore a real need to have thermoplastic materials mainly made up of renewable resources, replacing materials of fossil origin, in order to reduce the impact of plastic materials on the environment.
Il a maintenant été mis au point un procédé permettant de conférer des propriétés thermoplastiques à un matériau cellulosique, tel que notamment le bois. Plus particulièrement, les inventeurs ont découvert qu’en estérifiant les fonctions hydroxyles d’un matériau cellulosique avec des acides gras comportant des chaînes hydrocarbonées saturées ou insaturées, en particulier selon un taux d’estérification spécifique, il était possible de modifier les propriétés natives du matériau cellulosique, notamment de diminuer sa cristallinité et de lui conférer des propriétés thermoplastiques.A process has now been developed making it possible to confer thermoplastic properties on a cellulosic material, such as in particular wood. More particularly, the inventors discovered that by esterifying the hydroxyl functions of a cellulosic material with fatty acids comprising saturated or unsaturated hydrocarbon chains, in particular according to a specific esterification rate, it was possible to modify the native properties of the cellulosic material, in particular to reduce its crystallinity and to give it thermoplastic properties.
Ainsi, à titre d’exemple, les inventeurs ont pu observer que l’indice de cristallinité (CrI) d’un bois estérifié selon le procédé de l’invention pouvait être compris entre 3% et 25% selon notamment la nature de l’acide gras mis en œuvre dans la réaction d’estérification, alors que celui du même bois natif, non estérifié, était de l’ordre de 42%.Thus, by way of example, the inventors were able to observe that the crystallinity index (CrI) of a wood esterified according to the process of the invention could be between 3% and 25% depending in particular on the nature of the fatty acid used in the esterification reaction, while that of the same native wood, not esterified, was around 42%.
De façon avantageuse, le procédé de thermoplastification peut être réalisé dans des conditions douces, notamment sans solvant et avantageusement à température ambiante, ce qui limite ainsi l’impact environnemental et le coût économique lié à la mise en œuvre du procédé. Selon un autre avantage, l’anhydride trifluoroacérique mis en œuvre dans ce procédé ou l’acide trifluoroacétique généré lors du procédé peuvent être récupérés et recyclés, notamment réutilisés dans le procédé.Advantageously, the thermoplasticization process can be carried out under mild conditions, in particular without solvent and advantageously at room temperature, which thus limits the environmental impact and the economic cost linked to the implementation of the process. According to another advantage, the trifluoroaceric anhydride used in this process or the trifluoroacetic acid generated during the process can be recovered and recycled, in particular reused in the process.
Ces nouveaux matériaux sont particulièrement avantageux économiquement et écologiquement puisqu’ils peuvent être obtenus à partir de matières premières abondantes et renouvelables, à savoir les acides gras et les matériaux cellulosiques, limitant ainsi le recours à l’utilisation de composés issus de la pétrochimie.These new materials are particularly advantageous economically and ecologically since they can be obtained from abundant and renewable raw materials, namely fatty acids and cellulosic materials, thus limiting the use of compounds from petrochemicals.
Selon un autre avantage, les matériaux cellulosiques thermoplastiques susceptibles d’être obtenus selon ce procédé se caractérisent, après formage à chaud, notamment par pressage, par une première température de ramollissement (T1), c’est-à-dire la température de ramollissement la moins élevée, relativement faible par rapport à celle du même matériau cellulosique non estérifié, notamment comprises entre 40 et 200°C, plus particulièrement entre 120 et 190°C, ce qui permet de limiter la température à mettre en œuvre lors du procédé de formage à chaud et ainsi le risque de dégradation du matériau cellulosique, tout en favorisant également leur recyclage.According to another advantage, the thermoplastic cellulosic materials capable of being obtained according to this process are characterized, after hot forming, in particular by pressing, by a first softening temperature (T 1 ), that is to say the temperature of lowest softening, relatively low compared to that of the same non-esterified cellulosic material, in particular between 40 and 200°C, more particularly between 120 and 190°C, which makes it possible to limit the temperature to be used during the process hot forming and thus the risk of degradation of the cellulosic material, while also promoting their recycling.
Avantageusement, les matériaux formés à chaud obtenus à partir des matériaux cellulosiques thermoplastiques sont 100% biosourcés et ne contiennent pas de plastifiants ou de polymères thermoplastiques, issus de la pétrochimie.Advantageously, the hot-formed materials obtained from thermoplastic cellulosic materials are 100% biosourced and do not contain plasticizers or thermoplastic polymers from petrochemicals.
Selon un autre avantage, le matériau formé à chaud présente une isotropie d’aspect permettant de ne plus observer les particules de matière cellulosique initiales. Il présente généralement une souplesse, une flexibilité et les caractéristiques d’un matériau translucide et thermoplastique.According to another advantage, the hot-formed material has an isotropy of appearance making it possible to no longer observe the initial particles of cellulosic material. It generally has softness, flexibility and characteristics of a translucent and thermoplastic material.
Par « isotrope d’aspect », on entend un matériau présentant une homogénéité globale dans son ensembleBy “isotropic appearance”, we mean a material presenting overall homogeneity as a whole.
Par « souplesse », on entend un matériau présentant une élasticité suffisante pour lui permettre de se déformer de manière réversible.By “flexibility” we mean a material having sufficient elasticity to allow it to deform reversibly.
Par « flexibilité », on entend un matériau flexible qui peut être aisément courbé ou se plier facilement.By “flexibility” we mean a flexible material that can be easily bent or bent easily.
Par « translucide », on entend un matériau qui, lorsqu’il est traversé par la lumière, diffuse une partie des rayons lumineux, généralement en raison d'irrégularités de sa surface. A contrario, les matériaux opaques (sciure de bois non modifié) qui stoppent tous les rayons lumineux.By “translucent” we mean a material which, when light passes through it, diffuses part of the light rays, generally due to irregularities in its surface. Conversely, opaque materials (unmodified sawdust) which block all light rays.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de thermoplastification d’un matériau cellulosique, ledit procédé comprenant :According to a first aspect, the invention relates to a process for thermoplasticizing a cellulosic material, said process comprising:
- La mise en contact d’un acide gras (AG) avec de l’anhydride trifluoroacétique (TFAA) ; etBringing a fatty acid (FA) into contact with trifluoroacetic anhydride (TFAA); And
- L’estérification d’un matériau cellulosique par réaction avec l’anhydride mixte obtenu à l’étape i), ce par quoi on obtient un matériau cellulosique thermoplastique,The esterification of a cellulosic material by reaction with the mixed anhydride obtained in step i), whereby a thermoplastic cellulosic material is obtained,
les étapes i) et ii) étant réalisées en l’absence de solvant, en particulier à température ambiante.steps i) and ii) being carried out in the absence of solvent, in particular at room temperature.
Selon des modes de réalisation, le procédé selon l’invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques additionnelles suivantes :According to embodiments, the method according to the invention comprises one or more of the following additional characteristics:
- le matériau cellulosique comprend en outre de la lignine et/ou des hémicelluloses ;the cellulosic material further comprises lignin and/or hemicelluloses;
- le matériau cellulosique comprend au moins 20%, notamment 30%, en particulier 40% en poids de cellulose ;the cellulosic material comprises at least 20%, in particular 30%, in particular 40% by weight of cellulose;
- le matériau cellulosique comprend :the cellulosic material comprises:
- 40 - 60% en poids de cellulose,40 - 60% by weight of cellulose,
- 20 - 40% d’hémicelluloses, et20 - 40% hemicelluloses, and
- 10 - 25% de lignine ;10 - 25% lignin;
- le matériau cellulosique est choisi parmi le bois, les plantes, ou les mélanges de ceux-ci ;the cellulosic material is chosen from wood, plants, or mixtures thereof;
- le matériau cellulosique mis en œuvre à l’étape i) se présente sous la forme de poudres, de fibres brutes ou tissées ou à l'état massif ;the cellulosic material used in step i) is in the form of powders, raw or woven fibers or in a solid state;
- le matériau cellulosique est le bois, en particulier sous la forme de poudre ou à l’état massif ;the cellulosic material is wood, in particular in the form of powder or in the solid state;
- l’acide gras (AG) est un acide gras saturé ou insaturé, tel que l’acide propionique, l’acide butyrique, l’acide crotonique, l’acide isovalérique, l’acide caprylique, l’acide caprique, l’acide laurique, l’acide myristique, l’acide palmitique, l’acide stéarique et l’acide oléique ;fatty acid (FA) is a saturated or unsaturated fatty acid, such as propionic acid, butyric acid, crotonic acid, isovaleric acid, caprylic acid, capric acid, acid lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid and oleic acid;
- le rapport molaire des réactifs AG/ TFAA est compris entre 0,8 et 1,2 et est de préférence égal à 1 ;the molar ratio of the AG/TFAA reagents is between 0.8 and 1.2 and is preferably equal to 1;
- l’étape i) est réalisée pendant une durée inférieure à 1 heure, notamment une durée de 30 minutes ;step i) is carried out for a duration of less than 1 hour, in particular a duration of 30 minutes;
- la proportion massique du TFAA mise en œuvre à l’étape i) par rapport au matériau cellulosique mis en œuvre à l’étape ii) varie de 4/1 à 2/1 ;the mass proportion of the TFAA used in step i) relative to the cellulosic material used in step ii) varies from 4/1 to 2/1;
- l’étape ii) d’estérification est réalisée pendant une durée de moins de 4 heures ;step ii) of esterification is carried out for a period of less than 4 hours;
-
le matériau cellulosique thermoplastique obtenu à l’étape ii) est soumis à un procédé de purification comprenant les étapes suivantes :
- lavage du matériau cellulosique thermoplastique avec un mélange hydroalcoolique ; et
- séchage du matériau cellulosique thermoplastique lavé jusqu’à obtenir un matériau cellulosique thermoplastique anhydre.
- washing the thermoplastic cellulosic material with a hydroalcoholic mixture; And
- drying the washed thermoplastic cellulosic material until an anhydrous thermoplastic cellulosic material is obtained.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un matériau cellulosique thermoplastique susceptible d’être obtenu par le procédé selon l’invention.According to a second aspect, the invention relates to a thermoplastic cellulosic material capable of being obtained by the process according to the invention.
Dans des modes de réalisation, le matériau cellulosique thermoplastique est un matériau dans lequel :In embodiments, the thermoplastic cellulosic material is a material in which:
- le taux d’estérification est compris entre 5 et 15 mmol d’ester/g de matériau cellulosique, en particulier entre 6 et 12 mmol d’ester/g de matériau cellulosique ; et/ou- the esterification rate is between 5 and 15 mmol of ester/g of cellulosic material, in particular between 6 and 12 mmol of ester/g of cellulosic material; and or
- le taux de cristallinité est au moins 30% inférieur à celui du matériau cellulosique natif et/ou est compris entre 3 et 25%.- the crystallinity rate is at least 30% lower than that of the native cellulosic material and/or is between 3 and 25%.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne l’utilisation d’un matériau cellulosique thermoplastique selon l’invention, dans un procédé de formage à chaud.According to a third aspect, the invention relates to the use of a thermoplastic cellulosic material according to the invention, in a hot forming process.
Dans des modes de réalisation, le procédé de formage comprend une étape de pressage, notamment réalisée à une température comprise entre 120 et 200°C, et/ou à une pression comprise entre 10 MPa et 15 MPa.In embodiments, the forming process comprises a pressing step, in particular carried out at a temperature between 120 and 200°C, and/or at a pressure between 10 MPa and 15 MPa.
Selon un quatrième aspect, l’invention concerne un matériau cellulosique formé à chaud comprenant un matériau cellulosique thermoplastique selon l’invention.According to a fourth aspect, the invention relates to a hot-formed cellulosic material comprising a thermoplastic cellulosic material according to the invention.
Dans des modes de réalisation, le matériau cellulosique formé à chaud se caractérise par :In embodiments, the hot-formed cellulosic material is characterized by:
- une première température de ramollissement comprise entre 40°C et 200°C, notamment entre 120°C et 200°C ; et/oua first softening temperature of between 40°C and 200°C, in particular between 120°C and 200°C; and or
- une densité comprise entre 1 et 1,5 g/cm3.a density between 1 and 1.5 g/cm 3 .
de bois estérifiés par différents acides graswood esterified with different fatty acids
L’invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.The invention is now described in more detail and in a non-limiting manner in the description which follows.
Sauf indication contraire, les pourcentages sont exprimés en poids. En particulier, le poids du matériau cellulosique se réfère au poids en matériau sec, c’est-à-dire contenant moins de 1 % d’eau.Unless otherwise stated, percentages are expressed by weight. In particular, the weight of the cellulosic material refers to the weight of dry material, that is to say containing less than 1% water.
Procédé de thermoplastification d’un matériau cellulosiqueProcess for thermoplasticizing a cellulosic material
Ainsi, selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de thermoplastification d’un matériau cellulosique, ledit procédé comprenant :Thus, according to a first aspect, the invention relates to a process for thermoplasticizing a cellulosic material, said process comprising:
- La mise en contact d’un acide gras (AG) avec de l’anhydride trifluoroacétique (TFAA) ; etBringing a fatty acid (FA) into contact with trifluoroacetic anhydride (TFAA); And
- L’estérification d’un matériau cellulosique par réaction avec l’anhydride mixte obtenu à l’étape i), ce par quoi on obtient un matériau cellulosique thermoplastique,The esterification of a cellulosic material by reaction with the mixed anhydride obtained in step i), whereby a thermoplastic cellulosic material is obtained,
les étapes i) et ii) étant réalisées en l’absence de solvant, en particulier à température ambiante.steps i) and ii) being carried out in the absence of solvent, in particular at room temperature.
Par « thermoplastification », on entend un procédé permettant de convertir un matériau cellulosique en matériau thermoplastique.By “thermoplasticization” we mean a process for converting a cellulosic material into a thermoplastic material.
Par « température ambiante », on entend une température généralement comprise entre 15 et 25°C, notamment entre 20 et 24°C.By “ambient temperature”, we mean a temperature generally between 15 and 25°C, in particular between 20 and 24°C.
Selon des modes de réalisation, le matériau cellulosique comprend en outre de la lignine et/ou des hémicelluloses. Le matériau cellulosique peut comprendre au moins 20%, notamment 30%, en particulier 40% en poids de cellulose. En particulier, le matériau cellulosique peut comprendre :According to embodiments, the cellulosic material further comprises lignin and/or hemicelluloses. The cellulosic material may comprise at least 20%, in particular 30%, in particular 40% by weight of cellulose. In particular, the cellulosic material may comprise:
- 40 - 60% en poids de cellulose,40 - 60% by weight of cellulose,
- 20 - 40% en poids d’hémicelluloses, et20 - 40% by weight of hemicelluloses, and
- 10 - 25% en poids de lignine.10 - 25% by weight of lignin.
Le matériau cellulosique peut être choisi parmi le bois, les plantes, ou les mélanges de ceux-ci.The cellulosic material can be chosen from wood, plants, or mixtures thereof.
Le matériau cellulosique mis en œuvre à l’étape i) peut se présenter sous la forme de poudres, de fibres brutes ou tissées ou à l'état massif.The cellulosic material used in step i) can be in the form of powders, raw or woven fibers or in a solid state.
Selon des modes de réalisation, le matériau cellulosique est le chanvre ou le lin.According to embodiments, the cellulosic material is hemp or linen.
Selon un mode de réalisation préféré, le matériau cellulosique est le bois, en particulier sous la forme de poudre ou à l’état massif. Il peut être issu d’une essence de bois d’épicéas, de peuplier, de chêne, de hêtre, de sapin, de douglas, de pin. Il peut également comprendre un mélange d’essences de bois, notamment sous la forme de poudres.According to a preferred embodiment, the cellulosic material is wood, in particular in the form of powder or in the solid state. It can be made from a species of spruce, poplar, oak, beech, fir, Douglas fir or pine wood. It can also include a mixture of wood species, particularly in the form of powders.
L’acide gras (AG) mis en œuvre à l’étape i) peut être un acide gras saturé ou insaturé, tel que l’acide propionique, l’acide butyrique, l’acide crotonique, l’acide isovalérique, l’acide caprylique, l’acide caprique, l’acide laurique, l’acide myristique, l’acide palmitique, l’acide stéarique, l’acide oléique, ou un mélange de ceux-ci.The fatty acid (FA) used in step i) may be a saturated or unsaturated fatty acid, such as propionic acid, butyric acid, crotonic acid, isovaleric acid, acid caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, oleic acid, or a mixture thereof.
Le rapport molaire des réactifs AG/ TFAA peut être compris entre 0,8 et 1,2 et est de préférence égal à 1.The molar ratio of the AG/TFAA reagents can be between 0.8 and 1.2 and is preferably equal to 1.
Selon des modes de réalisation, l’étape i) est réalisée pendant une durée inférieure à 1 heure, notamment une durée de 30 minutes.According to embodiments, step i) is carried out for a duration of less than 1 hour, in particular a duration of 30 minutes.
La proportion massique du TFAA mise en œuvre à l’étape i) par rapport au matériau cellulosique mis en œuvre à l’étape ii) peut varier de 4/1 à 2/1.The mass proportion of the TFAA used in step i) relative to the cellulosic material used in step ii) can vary from 4/1 to 2/1.
Selon des modes de réalisation, l’étape ii) d’estérification est réalisée pendant une durée de moins de 4 heures.According to embodiments, step ii) of esterification is carried out for a duration of less than 4 hours.
Le matériau cellulosique thermoplastique obtenu à l’étape ii) peut être ensuite soumis à un procédé de purification comprenant les étapes suivantes :The thermoplastic cellulosic material obtained in step ii) can then be subjected to a purification process comprising the following steps:
- Lavage du matériau cellulosique thermoplastique avec un mélange hydroalcoolique ; etWashing the thermoplastic cellulosic material with a hydroalcoholic mixture; And
- séchage du matériau cellulosique thermoplastique lavé jusqu’à obtenir un matériau cellulosique thermoplastique anhydre.drying the washed thermoplastic cellulosic material until an anhydrous thermoplastic cellulosic material is obtained.
Le TFAA et le TFA n’ayant pas réagi à l’étape i) ou libéré lors de la réaction d’estérification des fonctions hydroxyles du matériau cellulosique à l’étape ii) peut être avantageusement récupéré et réutilisé dans le procédé de thermoplastification selon l’invention. Il peut être récupéré notamment par distillation.The TFAA and TFA which have not reacted in step i) or released during the esterification reaction of the hydroxyl functions of the cellulosic material in step ii) can be advantageously recovered and reused in the thermoplasticization process according to 'invention. It can be recovered in particular by distillation.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un matériau cellulosique thermoplastique susceptible d’être obtenu par le procédé tel que défini ci-dessus.According to a second aspect, the invention relates to a thermoplastic cellulosic material capable of being obtained by the process as defined above.
Selon encore des modes de réalisation, le taux d’estérification du matériau cellulosique thermoplastique est compris entre 5 et 15 mmol d’ester/g de matériau cellulosique, en particulier entre 6 et 12 mmol d’ester/g de matériau cellulosique.According to further embodiments, the esterification rate of the thermoplastic cellulosic material is between 5 and 15 mmol of ester/g of cellulosic material, in particular between 6 and 12 mmol of ester/g of cellulosic material.
Selon encore des modes de réalisation, le matériau cellulosique thermoplastique se caractérise en ce que son taux de cristallinité est au moins 30% inférieur, notamment de 40% à 90%,à celui du matériau cellulosique natif.According to further embodiments, the thermoplastic cellulosic material is characterized in that its crystallinity rate is at least 30% lower, in particular from 40% to 90%, than that of the native cellulosic material.
Par « taux de cristallinité », ou « indice de cristallinité », également noté CrI, on entend le degré relatif de cristallinité du matériau cellulosique mesuré par diffraction aux rayons X selon la méthode décrite par Segal et al. dans la publication : Segal, L., Creely, L., Martin, A.E., Conrad, C.M., 1959. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using X-ray diffractometer. Text. Res. J. 29, 786–794.By “crystallinity rate”, or “crystallinity index”, also denoted CrI, is meant the relative degree of crystallinity of the cellulosic material measured by X-ray diffraction according to the method described by Segal et al. in the publication: Segal, L., Creely, L., Martin, A.E., Conrad, C.M., 1959. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using X-ray diffractometer. Text. Res. J. 29, 786–794.
Le taux de cristallinité du matériau cellulosique thermoplastique peut être notamment compris entre 3 et 25%.The crystallinity rate of the thermoplastic cellulosic material may in particular be between 3 and 25%.
Utilisation d’un matériau cellulosique thermoplastique dans un procédé de formage à chaudUse of a thermoplastic cellulosic material in a hot forming process
Selon un troisième aspect, l’invention concerne l’utilisation d’un matériau cellulosique thermoplastique selon l’invention, dans un procédé de formage à chaud.According to a third aspect, the invention relates to the use of a thermoplastic cellulosic material according to the invention, in a hot forming process.
Par procédé de « formage à chaud », on entend un procédé consistant à prendre un matériau, à le chauffer pour le ramollir, et à profiter de cette ductilité pour le mettre en forme avec un moule. Le matériau redurcit lorsqu’il refroidit, gardant cette forme.By “hot forming” process we mean a process consisting of taking a material, heating it to soften it, and taking advantage of this ductility to shape it with a mold. The material hardens again when it cools, keeping this shape.
Le procédé de formage à chaud peut être notamment un procédé de pressage à chaud, notamment comprendre une étape de pressage.The hot forming process may in particular be a hot pressing process, in particular comprising a pressing step.
Les conditions de pressage à chaud peuvent varier en fonction des dimensions du matériau cellulosique formé à chaud que l’on souhaite obtenir, en particulier de son épaisseur.Hot pressing conditions can vary depending on the dimensions of the hot-formed cellulosic material that one wishes to obtain, in particular its thickness.
A titre d’exemple, le pressage à chaud peut être réalisé à une température comprise entre 120 et 200°C, et/ou à une pression comprise entre 10 MPa et 15 MPa.For example, hot pressing can be carried out at a temperature between 120 and 200°C, and/or at a pressure between 10 MPa and 15 MPa.
Matériau cellulosique thermoplastique formé à chaudHot formed thermoplastic cellulosic material
Selon un quatrième aspect, l’invention concerne un matériau cellulosique formé à chaud comprenant un matériau cellulosique thermoplastique tel que défini ci-dessus.According to a fourth aspect, the invention relates to a hot-formed cellulosic material comprising a thermoplastic cellulosic material as defined above.
Le matériau cellulosique peut notamment avoir une densité comprise entre 1 et 1,5 g/cm3.The cellulosic material may in particular have a density of between 1 and 1.5 g/cm 3 .
Selon des modes de réalisation, la première température de ramollissement du matériau cellulosique thermoplastique formé à chaud est comprise entre 40°C et 200°C, notamment entre 120°C et 200°C.According to embodiments, the first softening temperature of the hot-formed thermoplastic cellulosic material is between 40°C and 200°C, in particular between 120°C and 200°C.
Exemple 1 : Estérification de la poudre de bois d’épicéa selon le procédé de l’inventionExample 1: Esterification of spruce wood powder according to the process of the invention
Les groupements hydroxyles du bois d’épicéa ont été fonctionnalisés avec différents acides gras. Le schéma de la réaction est le suivant :
The hydroxyl groups of spruce wood have been functionalized with different fatty acids. The reaction diagram is as follows:
Schéma 1 : Estérification de la poudre bois d’épicéa par des acides grasScheme 1: Esterification of spruce wood powder with fatty acids
à l'aide de TFAAusing TFAA
L'estérification de la poudre de bois par des acides gras est réalisée en utilisant l'anhydride trifluoroacétique (TFAA) comme agent d’activation ou propulseur ou facilitateur (Schéma 1).The esterification of wood powder with fatty acids is carried out using trifluoroacetic anhydride (TFAA) as an activating agent or propellant or facilitator (Scheme 1).
Les matériaux obtenus ont été caractérisés en mesurant le gain de masse (GM), en déterminant les caractéristiques de la structure chimique par analyse FTIR et RMN, les propriétés thermiques par analyse thermogravimétrique (ATG) et analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC), les propriétés adhésives/la capacité de moulage de la poudre estérifiée par pressage à chaud, les propriétés de surface du bois estérifié pressé par mesure de l'angle de contact, les propriétés morphologiques par microscopie électronique à balayage (MEB) et les propriétés thermoplastiques par analyse thermomécanique (TMA) et diffraction des rayons X (DRX).The materials obtained were characterized by measuring the mass gain (GM), determining the characteristics of the chemical structure by FTIR and NMR analysis, the thermal properties by thermogravimetric analysis (ATG) and differential scanning calorimetric analysis (DSC), the adhesive properties/molding ability of esterified powder by hot pressing, surface properties of esterified pressed wood by contact angle measurement, morphological properties by scanning electron microscopy (SEM) and thermoplastic properties by analysis thermomechanics (TMA) and X-ray diffraction (XRD).
Pour le calcul du gain de masse (GM), on pourra se référer à la publication suivante : Philippe Gerardin et al. Wood Science and Technology (2020) 54:479–502.To calculate the mass gain (GM), we can refer to the following publication: Philippe Gerardin et al. Wood Science and Technology (2020) 54:479–502.
La sciure d'épicéa (Picea abies) a été utilisée après extraction au Soxhlet pendant 4 h avec un mélange toluène/éthanol dans les proportions (2:1), puis à nouveau pendant 4 h avec de l'éthanol. La sciure a ensuite été séchée à 103°C pendant 24 h. La sciure de bois mise en œuvre dans le procédé d’estérification est donc anhydre, de sorte que les quantités de bois exprimées ci-après, avant traitement, se réfèrent au matériau sec.Spruce sawdust (Picea abies) was used after Soxhlet extraction for 4 h with a toluene/ethanol mixture in the proportions (2:1), then again for 4 h with ethanol. The sawdust was then dried at 103°C for 24 h. The sawdust used in the esterification process is therefore anhydrous, so that the quantities of wood expressed below, before treatment, refer to the dry material.
Différentes longueurs de chaînes grasses ont été mises en œuvre allant de C4 à C18 pour les acides gras saturés. S’agissant des acides gras insaturés, l'acide crotonique (C4) et l'acide oléique (C18) ont été mis en œuvre.Different lengths of fatty chains were used ranging from C4 to C18 for saturated fatty acids. Regarding unsaturated fatty acids, crotonic acid (C4) and oleic acid (C18) were used.
Plus précisément, un acide gras a été mélangé avec du TFAA dans un rapport molaire (1:1) sans solvant à température ambiante pour former un anhydride mixte. La poudre de bois séchée au four a ensuite été ajoutée à l'anhydride mixte dans des proportions Bois/TFAA de (1 :4) (m/m) par rapport à la quantité de TFAA mis en œuvre à l’étape i), pendant différents temps réactionnels (15 min-24h) dans un système fermé. Les bois estérifiés ont été successivement lavés avec de l'éthanol et de l'eau suivi d'une extraction au soxhlet dans un mélange éthanol/eau (2 :1) pendant 24 h, en changeant le mélange de solvant autant que possible pour éliminer le TFA formé lors de la réaction d’estérification ou le TFAA résiduel.Specifically, a fatty acid was mixed with TFAA in a molar ratio (1:1) without solvent at room temperature to form a mixed anhydride. The oven-dried wood powder was then added to the mixed anhydride in Wood/TFAA proportions of (1:4) (m/m) relative to the quantity of TFAA used in step i), for different reaction times (15 min-24h) in a closed system. Esterified woods were successively washed with ethanol and water followed by soxhlet extraction in ethanol/water (2:1) for 24 h, changing the solvent mixture as much as possible to remove the TFA formed during the esterification reaction or the residual TFAA.
L'échantillon obtenu est ensuite séché à 103°C pendant 24 h, et le gain de masse (GM) a été calculé.The sample obtained was then dried at 103°C for 24 h, and the mass gain (GM) was calculated.
Plus particulièrement, après traitement de la sciure d’épicéa, le gain de masse (GM) a été déterminé de manière gravimétrique selon l’équation : GM = [(m1-m0) / m0] X 100 avec m0 = masse de la sciure d’épicéa anhydre avant traitement, m1 = masse de la sciure d’épicéa anhydre après traitement.More particularly, after treatment of the spruce sawdust, the mass gain (GM) was determined gravimetrically according to the equation: GM = [(m1-m0) / m0] X 100 with m0 = mass of the sawdust anhydrous spruce sawdust before treatment, m1 = mass of anhydrous spruce sawdust after treatment.
Après traitement, le gain de masse expérimental ou GM est déterminé de manière gravimétrique selon l’équation : GM = [(m1-m0) / m0] X 100 avec m0= masse de la sciure de bois anhydre avant traitement, m1= masse de la sciure de bois anhydre après traitement. L’augmentation du gain de masse (GM) traduit le greffage des acides gras par estérification des fonctions hydroxyles du bois et permet de déterminer le taux d’estérification du bois par l’acide gras, en divisant le gain de masse par la masse molaire M de la fonction acyle greffée correspondante pour un acide gras donné.After treatment, the experimental mass gain or GM is determined gravimetrically according to the equation: GM = [(m 1 -m 0 ) / m 0 ] X 100 with m 0 = mass of the anhydrous sawdust before treatment, m 1 = mass of anhydrous sawdust after treatment. The increase in mass gain (GM) reflects the grafting of fatty acids by esterification of the hydroxyl functions of the wood and makes it possible to determine the rate of esterification of wood by the fatty acid, by dividing the mass gain by the molar mass. M of the corresponding grafted acyl function for a given fatty acid.
Le taux d’estérification, traduit la teneur en ester et représente également le nombre de fonctions ester greffées en milliéquivalent (méq.) par gramme de bois selon la formule suivante : (Gain de masse)/(M(groupement greffé)) X 1000.The esterification rate reflects the ester content and also represents the number of ester functions grafted in milliequivalent (meq.) per gram of wood according to the following formula: (Mass gain)/(M(grafted group)) X 1000 .
La
Par conséquent, ces résultats montrent que la réaction d'estérification du bois par des acides gras selon le procédé de l’invention, est très rapide puisque le taux d’estérification atteint un maximum après 15 minutes de réaction seulement.Consequently, these results show that the reaction of esterification of wood with fatty acids according to the process of the invention is very rapid since the rate of esterification reaches a maximum after only 15 minutes of reaction.
L’estérification de la poudre bois avec différentes quantités d'acide gras et d’anhydride trifluoroacétique (TFAA) par rapport à la masse de bois utilisée a été étudiée (
Les résultats montrent que le gain de masse (GM) du bois estérifié augmente lorsque la proportion en masse de TFAA par rapport au bois varie de 1/1 à 4/1. Le gain de masse se stabilise pour des proportions en TFAA/bois supérieures à (4 :1). Ces résultats montrent que l'accessibilité des groupes hydroxyles du bois par différents acides gras est d'environ 10 à 11 mmol d'ester/g de bois maximum.The results show that the mass gain (GM) of esterified wood increases when the mass proportion of TFAA relative to wood varies from 1/1 to 4/1. The mass gain stabilizes for TFAA/wood proportions greater than (4:1). These results show that the accessibility of wood hydroxyl groups by different fatty acids is approximately 10 to 11 mmol of ester/g of wood maximum.
Exemple 2 : caractérisation des propriétés chimiques et structurales des bois estérifiésExample 2: characterization of the chemical and structural properties of esterified wood
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et l'analyse par résonance magnétique nucléaire (RMN) ont été réalisées pour comprendre les modifications chimiques et structurales du bois avant et après estérification.Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and nuclear magnetic resonance (NMR) analysis were carried out to understand the chemical and structural changes of wood before and after esterification.
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre que la bande d'absorption de la vibration OH (3500 - 3300 cm-1) dans le bois non modifié a disparu dans le bois estérifié avec une importante augmentation de l'intensité des groupes CH, CH2(2918 et 2848 cm-1) et C=O ester (1743 cm-1) observé dans le bois estérifié. La chaîne grasse la plus longue ayant estérifié le bois avec un gain de masse (GM ) élevé montre une intensité plus élevée de ces groupements CH, tandis que le C = O ester a montré la même intensité dans tous les bois estérifiés.Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) shows that the OH vibration absorption band (3500 - 3300 cm -1 ) in unmodified wood disappeared in esterified wood with a significant increase in group intensity. CH, CH 2 (2918 and 2848 cm -1 ) and C=O ester (1743 cm-1) observed in the esterified wood. The longest fatty chain having esterified the wood with a high mass gain (GM) shows a higher intensity of these CH groups, while the C = O ester showed the same intensity in all the esterified woods.
.Le spectre RMN du solide obtenu avec du bois non modifié montre un profil glucidique caractéristique comme en témoigne : C1 (102,0 ppm), C4 (88,0 ppm), C2, C3, C5 (73,4 ppm) et C6 (65,0 ppm). Après estérification avec l'acide myristique, le pic à 88,0 ppm (C4 de la cellulose cristalline) disparait, et les intensités des pics à 102,0 ppm (C1 de l'hémicellulose), à 73,4 ppm (C-2/C-3/C-5 de cellulose) diminuent et se déplacent à 64,2 ppm (cellulose amorphe C-6). Un nouveau pic apparait également dans le bois estérifié à 14,6 – 30 ppm correspondant aux groupes méthyles, méthylènes et à 172,7 ppm correspondant au C=O ester..The solid NMR spectrum obtained with unmodified wood shows a characteristic carbohydrate profile as evidenced by: C1 (102.0 ppm), C4 (88.0 ppm), C2, C3, C5 (73.4 ppm) and C6 (65.0 ppm). After esterification with myristic acid, the peak at 88.0 ppm (C4 of crystalline cellulose) disappears, and the intensities of the peaks at 102.0 ppm (C1 of hemicellulose), at 73.4 ppm (C- 2/C-3/C-5 cellulose) decrease and move to 64.2 ppm (amorphous cellulose C-6). A new peak also appears in the esterified wood at 14.6 – 30 ppm corresponding to the methyl and methylene groups and at 172.7 ppm corresponding to the C=O ester.
Le changement de structure chimique observé en FTIR et en RMN montre que les acides gras greffés sur le bois jouent un rôle important dans l'obtention d’une poudre de bois thermoplastique provenant de la décristallisation de la cellulose crée par le greffage des acides gras sur le bois.The change in chemical structure observed by FTIR and NMR shows that the fatty acids grafted onto the wood play an important role in obtaining a thermoplastic wood powder coming from the decrystallization of the cellulose created by the grafting of the fatty acids onto wood.
Exemple 3 : Caractérisation des propriétés thermiques des bois estérifiésExample 3: Characterization of the thermal properties of esterified woods
Les propriétés thermiques du bois estérifié ont été observées en effectuant une analyse thermogravimétrique (ATG) et une analyse calorimétrique à balayage différentiel (DSC). Les résultats obtenus en ATG montrent que la température de dégradation du bois augmente lorsque le bois est estérifié. La température de dégradation (midpoint) du bois non estérifié est de 351°C et celle du bois estérifié est comprise entre 362 et 379°C. Les résultats obtenus en DSC confirment la température de dégradation obtenue par ATG ; plus précisément, ils décrivent que la dégradation du bois estérifié se fait par l’intermédiaire de phénomènes endothermiques et exothermiques.The thermal properties of esterified wood were observed by performing thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). The results obtained in TGA show that the wood degradation temperature increases when the wood is esterified. The degradation temperature (midpoint) of non-esterified wood is 351°C and that of esterified wood is between 362 and 379°C. The results obtained in DSC confirm the degradation temperature obtained by ATG; more precisely, they describe that the degradation of esterified wood occurs via endothermic and exothermic phenomena.
Exemple 4 : Caractérisation de l’aspect plastique de bois estérifié (Presse et microscopie)Example 4: Characterization of the plastic appearance of esterified wood (Press and microscopy)
Des sciures d'épicéa, estérifiées par différents acides gras selon le procédé de l’invention, ont été pressées à chaud, à 200°C pendant 10 minutes sous une pression de 10 MPa. Des feuilles translucides ont été obtenues, quels que soient les acides gras mis en œuvre (figure 3A), contrairement à la feuille obtenue dans les mêmes conditions, par pressage de la sciure de bois non estérifiée, d’aspect opaque (figure 3D).Spruce sawdust, esterified with different fatty acids according to the process of the invention, were hot pressed at 200°C for 10 minutes under a pressure of 10 MPa. Translucent sheets were obtained, regardless of the fatty acids used (Figure 3A), unlike the sheet obtained under the same conditions, by pressing non-esterified sawdust, with an opaque appearance (Figure 3D).
Par ailleurs, la figure 3B montre que lorsque le pressage de la sciure de bois d’épicéa, estérifiée par de l’acide myristique est réalisé à une température inférieure à 200°C, notamment entre 120°C et 200°C, des feuilles d’aspect plastique toujours translucides, mais de teinte plus claire, sont obtenues.Furthermore, Figure 3B shows that when the pressing of spruce sawdust, esterified with myristic acid, is carried out at a temperature below 200°C, in particular between 120°C and 200°C, leaves plastic appearance still translucent, but lighter in color, are obtained.
Par ailleurs, la Figure 3C montre que les feuilles obtenues sont flexibles lorsqu'elles sont repliées sur elles-mêmes, et donc présentent des propriétés thermoplastiques.Furthermore, Figure 3C shows that the sheets obtained are flexible when they are folded on themselves, and therefore have thermoplastic properties.
La structure fibreuse de la sciure d'épicéa non modifiée pressée à chaud a été observée par microscopie électronique à balayage (
Exemple 5 : Caractérisation des propriétés de surface des bois estérifiésExample 5: Characterization of the surface properties of esterified woods
La mesure de l'angle de contact du bois d'épicéa en feuille pressée avant et après estérification a été observée pour comprendre les propriétés de surface des bois estérifiés.The contact angle measurement of pressed sheet spruce wood before and after esterification was observed to understand the surface properties of the esterified woods.
La
Exemple 6 : Analyse thermomécanique des bois estérifiésExample 6: Thermomechanical analysis of esterified woods
Les propriétés de ramollissement thermique du bois estérifié ont été observées à l'aide d'un analyseur thermomécanique (TMA).The thermal softening properties of esterified wood were observed using a thermomechanical analyzer (TMA).
Un échantillon de bois estérifié pressé a été comprimé sous une charge constante de 0,1 N dans une chambre chauffée allant de 30 à 280°C à une vitesse de chauffage de 10°C/min. Au fur et à mesure que la température augmentait, la charge se déplaçait et enregistrait la déformation. La valeur maximale de déformation est alors considérée comme la température de ramollissement.A pressed esterified wood sample was compressed under a constant load of 0.1 N in a heated chamber ranging from 30 to 280°C at a heating rate of 10°C/min. As the temperature increased, the load moved and recorded the deformation. The maximum deformation value is then considered as the softening temperature.
La
Tableau 1 : Températures de ramollissement de bois estérifiésTable 1: Softening temperatures of esterified wood
Exemple 7 : Analyse de bois estérifié par diffraction des rayons XExample 7: Analysis of esterified wood by X-ray diffraction
Les diagrammes de diffraction ont été réalisés directement sur la poudre de bois modifiée et non modifiée. Le montage utilisé comprend un générateur de type SEIFERT XRD-3000, travaillant à 40KV, 30mA et selon une géométrie Bragg - Brentano (θ/θ). Le rayonnement CuKα1 est sélectionné à partir d'une source de cuivre à l'aide d'un monochromateur en graphite, à la longueur d'onde h = 0,1540598 nm. Les diagrammes de diffraction sont enregistrés pour des angles θ compris entre 1 et 30°.The diffraction patterns were performed directly on the modified and unmodified wood powder. The assembly used includes a SEIFERT XRD-3000 type generator, working at 40KV, 30mA and according to a Bragg - Brentano (θ/θ) geometry. CuKα1 radiation is selected from a copper source using a graphite monochromator, at the wavelength h = 0.1540598 nm. The diffraction patterns are recorded for angles θ between 1 and 30°.
Avant l'estérification des acides gras de longueurs de chaînes différentes, la sciure d’épicéa native présentait un diagramme de diffraction des rayons X qui possédait deux plans de diffraction pour 2 θ = 22,5° et 15,8° avant traitement.Before the esterification of fatty acids of different chain lengths, the native spruce sawdust exhibited an X-ray diffraction pattern that had two diffraction planes for 2 θ = 22.5° and 15.8° before treatment.
Après estérification de la sciure d’épicéa avec les acides gras de longueurs de chaînes différentes, le premier rayon cristallin à 22,5° dû au plan 002 a été décalé vers l'amorphe (19.6°-21.8°) et élargie.After esterification of the spruce sawdust with fatty acids of different chain lengths, the first crystalline radius at 22.5° due to the 002 plane was shifted towards the amorphous (19.6°-21.8°) and enlarged.
Ces résultats montrent que l’estérification induit une décristallisation de la cellulose (voir
Cette diminution de la cristallinité de la cellulose du bois estérifié confère au matériau final une thermoplasticité.This reduction in the crystallinity of the cellulose in the esterified wood gives the final material thermoplasticity.
Exemple 8 : Recyclage du bois estérifié formé à chaudExample 8: Recycling of hot-formed esterified wood
Après broyage, le matériau formé à chaud peut être à nouveau formé à chaud par pressage comme le montre la
Ces résultats montrent que le bois estérifié formé à chaud, chauffé à une température supérieure à sa température de ramollissement T1, se ramollit et, présente ainsi une réversibilité de son durcissement, caractéristique des matériaux thermoplastiques.These results show that hot-formed esterified wood, heated to a temperature higher than its softening temperature T1, softens and thus exhibits reversibility of its hardening, characteristic of thermoplastic materials.
Claims (21)
- La mise en contact d’un acide gras (AG) avec de l’anhydride trifluoroacétique (TFAA) ; et
- L’estérification d’un matériau cellulosique par réaction avec l’anhydride mixte obtenu à l’étape i), ce par quoi on obtient un matériau cellulosique thermoplastique,
- Bringing a fatty acid (FA) into contact with trifluoroacetic anhydride (TFAA); And
- The esterification of a cellulosic material by reaction with the mixed anhydride obtained in step i), whereby a thermoplastic cellulosic material is obtained,
- 40 - 60% en poids de cellulose,
- 20 - 40% d’hémicelluloses, et
- 10 - 25% de lignine.
- 40 - 60% by weight of cellulose,
- 20 - 40% hemicelluloses, and
- 10 - 25% lignin.
- Lavage du matériau cellulosique thermoplastique avec un mélange hydroalcoolique ; et
- séchage du matériau cellulosique thermoplastique lavé jusqu’à obtenir un matériau cellulosique thermoplastique anhydre.
- Washing the thermoplastic cellulosic material with a hydroalcoholic mixture; And
- drying the washed thermoplastic cellulosic material until an anhydrous thermoplastic cellulosic material is obtained.
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