[0001] La présente invention concerne la fabrication d'un d'un produit de remplacement du
bois, du type de ceux qui sont constitués par un matériau composite de résine organique
et de fibres de bois, dans la gamme des densités moyennes. Il s'agit de matériaux
qui se présentent sous la forme de plaques à découper et que l'on appelle dans le
métier un "medium density fiberboard", ou "MDF", à partir de l'expression anglo-saxonne.
[0002] Les fibres de bois présentent des atouts indéniables pour la fabrication de matériaux
composites à partir de compositions dans lesquelles elles se trouvent en mélange avec
des résines organiques durcissant par polymérisation. Elles assurent une bien meilleure
cohésion que des charges en poudre. Elles ont en outre l'avantage d'être largement
disponibles à bon marché à partir des résidus des scieries et des usines de fabrication
d'articles de menuiserie en bois véritable.
[0003] Par contre, et d'une manière générale, la fabrication des composites MDF, spécialement
dans le cas d'une fabrication industrielle, implique des compositions et conditions
qui sont différentes de celles que l'on applique pour des produits légers ou pour
des matériaux très denses dans lesquels les fibres de bois ne constituent guère qu'une
charge parmi d'autres.
[0004] Les fibres de bois s'y utilisent en général calcinées et en combinaison avec des
résines organiques de la famille des aminoplastes, telles plus spécialement les résines
de mélamine-formol et/ou urée-formol, en des proportions telles que lorsque la composition
de base est étalée en un feutre puis durcie, ce qui se fait à chaud sous pression
mécanique, à une température suffisante pour provoquer la polymérisation du liant
de résine(s), elle conduit à des plaques de matériau MDF utilisables, en mieux, en
remplacement des plaques de bois ou de bois reconstitué plus classiques.
[0005] Les matériaux actuels de type MDF se fabriquent donc couramment en plaques à découper.
Mais on ne se sait pas leur donner un aspect 2 qui évite d'avoir à leur appliquer
un revêtement, alors qu'il le faudrait pour répondre aux attentes du marché. En particulier,
ils sont naturellement d'une couleur terne, variable dans les bruns, qui leur vient
du bois d'origine, et qui, dans la grande majorité des applications, n'est pas appréciée
par la clientèle. En outre, cette couleur n'est ni franche, ni uniforme, ni reproductible,
et elle n'est même pas stable dans le temps. Par suite, on est conduit à doubler les
plaques de MDF d'une couche de revêtement correctement colorée en vue de leur commercialisation,
et si tel n'est pas le cas, il faut à tout le moins, préconiser l'application d'une
peinture recouvrant leur surface chez l'utilisateur.
[0006] Pourtant, les composites de ce type trouvent de nombreuses applications dans l'industrie,
où ils sont destinés généralement à remplacer le bois dans ses applications courantes,
notamment pour la fabrication de meubles et autres objets d'équipement de locaux et
de décoration, mais aussi pour la confection de boîtes, panneaux et articles divers.
Il s'ensuit qu'ils doivent être tout aussi faciles que le bois naturel à découper,
trouer, coller, visser, raboter, abraser, polir, etc. Par contre, même si l'on peut
chercher, par rapport au bois naturel, à faire mieux dans certaines propriétés telles
que la résistance aux agents chimiques, la résistance au choc ou à la rayure, la résistance
au feu, etc., ils présentent encore l'inconvénient majeur de mal accepter la peinture
superficielle ultérieure pour des consommations raisonnables.
[0007] A l'origine de l'invention, on a effectivement constaté qu'il se présentait des difficultés
pour obtenir des coloris divers dans la masse de ces matériaux, et surtout que les
connaissances en la matière ne permettent jamais d'obtenir des teintes claires de
qualité pastel.
[0008] Pour permettre la coloration du matériau dans la masse au cours de sa fabrication,
l'invention se base sur la sélection d'agents colorants particuliers en combinaison
avec la composition de la matière à durcir et les conditions de sa mise en oeuvre.
[0009] Ainsi, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un produit de remplacement
du bois, se présentant en plaques à découper et constitué par un matériau composite
de résine organique de la famille des aminoplastes et de fibres de bois, dans la gamme
des densités moyennes, qui se caractérise en ce que, pour assurer la coloration du
matériau dans sa masse dans des teintes variées, et notamment dans des tons pastel,
il consiste à provoquer le durcissement, par polymérisation à chaud sous pression
mécanique, d'une composition comportant un agent colorant organique en plus de la
résine organique et des fibres de bois, cette composition étant soumise au préalable
à une étape de séchage à chaud en atmosphère oxydante.
[0010] Les colorants peuvent être avantageusement de type cationique. Toutefois il est préférable
de les choisir parmi les colorants catalogués basiques ou ceux catalogués directs,
avec en plus une préférence pour ces derniers bien qu'ils ne soient pas de type cationique.
[0011] La classification des colorants à laquelle on se réfère ici est, comme il est usuel,
celle de la désignation internationale SDC établie par la société "Society of Dyers
and Colorists".
[0012] L'agent colorant, éventuellement lui-même constitué par un mélange de plusieurs composés
chimiques compatibles, est présent dans la composition dans une proportion efficace
à la fois pour faire disparaître la teinte venant des fibres de bois qu'il aurait
en son absence et pour conférer sa propre teinte au matériau durci final. D'une manière
générale, cette proportion est avantageusement comprise dans la gamme de 0,1 à 3 %
en poids du poids de matières sèches de la composition totale, et de préférence entre
0,1 et 1 %.
[0013] Les agents colorants utiles suivant l'invention existent sur le marché. Ils y sont
proposés pour des applications tout différentes, à savoir la teinture des fibres textiles
dans les tissus naturels ou synthétiques.
[0014] C'est ainsi que l'on peut avantageusement utiliser suivant l'invention les colorants
vendus sous la marque Astrazon de la société DyStar pour les colorants basiques, et
que, notamment pour des matériaux devant supporter une exposition au soleil, on leur
préfère les colorants directs vendus par la même société sous la marque Sirius.
[0015] Bien entendu, l'invention porte non seulement sur le procédé, mais aussi sur la composition
correspondante et sur les matériaux en plaques obtenus.
[0016] Par ses différentes caractéristiques, telles qu'elles sont définies et décrites ci-dessus
et ci-après et telles qu'elles peuvent être avantageusement appliquées industriellement,
l'invention permet notamment :
- d'assurer une bonne diffusion du colorant tout au sein de la masse de matériau ainsi
que sa fixation définitive sur les fibres de bois, et donc une permanence durable
et homogène de la coloration ;
- de faciliter la mise en oeuvre du produit obtenu, en supprimant éventuellement tout
besoin de peinture ultérieure pour peu que l'objet confectionné se contente des coloris
des plaques que son fabricant a achetées ;
- de faciliter la mise en forme et le traitement des compositions jusqu'à l'obtention
des plaques durcies ;
- de conduire de manière sûre et reproductible à des teintes stables dans les coloris
désirés, grâce en particulier au fait que la composition supporte sans difficulté
les conditions de traitement choisies suivant l'invention, malgré les hautes températures
auxquelles elle est exposée et malgré les variations sensibles du pH qu'elle doit
subir.
[0017] L'invention sera maintenant plus complètement décrite, dans le cadre de ses caractéristiques
préférées, à l'aide d'un mode de mise en oeuvre particulier du procédé et d'exemples
de la composition objet de l'invention. Dans ces exemples, les quantités et proportions
seront chiffrées en poids et en pourcentage du poids de matières sèches, sauf indication
contraire.
[0018] Bien entendu, cette description n'entend pas être limitative, et l'homme de l'art
saura y apporter de nombreuses variantes et adaptations à partir des connaissances
à sa portée, se situant notamment dans le domaine des matières plastiques et des matériaux
composites de bois.
[0019] Suivant l'invention les fibres de bois sont incorporées dans la composition à durcir
sous la forme d'une pulpe dite thermo-mécanique, résultant de la dessiccation de déchets
de bois broyés.
[0020] En général, des déchets de bois trop gros sont ramenés à l'état de sciure ou copeaux
puis tamisés ou autrement triés pour ne conserver que ceux dont les dimensions sont
de l'ordre de 5 à 40 mm. Ensuite, après un nettoyage éventuel en soi classique, ils
sont passés en étuve pour un traitement d'humidification et de ramollissement par
la vapeur d'eau qui s'effectue à une température de l'ordre de 150 à 170 °C. Ils en
sont éjectés à travers un broyeur à disques rotatifs qui les déchiquette en fibres
dont la longueur n'excède pas 1 à 2 mm en moyenne.
[0021] C'est alors que ces fibres sont additionnées de la résine organique et d'un colorant
organique approprié à la teinte désirée. L'ensemble est soigneusement malaxé. L composition
obtenue est ensuite transférée par transport pneumatique à une étape de séchage, qui
s'effectue en cyclone en milieu d'air chaud, donc en atmosphère oxydante, et à une
température de l'ordre de 120 à 140 °C, jusqu'à atteindre un degré de siccité ne dépassant
pas 12 % d'humidité.
[0022] La composition chimique du bois, s'agissant ici d'une espèce tendre (essence
Pinus Pinaster par exemple), est la suivante, en poids :
|
|
Moyenne |
Cellulose |
43 - 47 % |
45 % |
Hémicellulose |
25 - 35 % |
30 % |
Lignine |
16 - 24 % |
20 % |
Matières volatiles |
2 - 8 % |
5 % |
[0023] Suivant l'invention, la sciure de fibres de bois est en intime mélange dans la composition
avec la résine additionnée de l'agent colorant dès l'étape de séchage préalable à
l'étape de durcissement proprement dite. La résine est comme il est classique une
résine appartenant à la famille des résines aminoplastes, et apte à durcir par polycondensation
de la résine sur elle-même et éventuellement par réaction également avec d'autres
constituants ajoutés dans la composition.
[0024] Comme résine on utilise ici une résine d'urée-formol ou une résine de mélamine-urée-formol.
En général, il n'est pas nécessaire qu'elle soit modifiée par un autre polymère. Par
contre, on préférera souvent les copolymères d'urée-formol et de mélamine formol.
[0025] A titre d'exemple, la résine comprend 75 % d'urée et 25 % de mélamine, en combinaison
avec du formaldéhyde dans les proportions stoechiométriques.
[0026] Dans le mélange, en plus du ou des agents colorants organiques choisis conformément
à l'invention, on peut incorporer des additifs divers, tels que ceux que l'on connaît
pour conférer au produit final des propriétés spécifiques de résistance au feu ("flame
retardants" en anglais) ou de résistance à l'humidité, ou pour favoriser la résistance
aux agents atmosphériques dans les applications en extérieur des plaques finalement
obtenues.
[0027] On obtient ainsi une pâte que l'on dépose en épaisseur régulière sur une bande en
tamis qui passe sur des pompes à vide, de manière à compacter la pâte retenue sur
le tamis pour former un feutre. L'opération conduit à un feutre compact où les fibres
de bois sont réparties de manière homogène et où déjà la cohésion est assurée entre
elles et la résine additionnée de colorant.
[0028] Dans la composition ainsi mise en forme, le taux d'humidité n'est plus que de l'ordre
de 8 à 10 %. Il s'est abaissé par exemple de 12 % en sortie de l'étape de séchage
à 9 % après le séchage complémentaire à température ambiante qu'implique l'étape de
compactage. On peut observer d'autre part que la composition présente un caractère
légèrement acide, contrairement à la pâte de départ. Lors du malaxage, le pH est compris
entre 8,5 et 10, et en fin de séchage, il est voisin de 5.
[0029] Le feutre ainsi obtenu en une bande continue est découpé en plaques individuelles
avant d'être soumis à une cuisson qui assure son durcissement par polymérisation.
[0030] Cette cuisson s'opère à chaud et sous pression, chaque plaque étant comprimée entre
deux plateaux d'une presse mécanique qui la chauffent simultanément à une température
de l'ordre de 170 °C, plus généralement comprise entre 160 °C et 180 °C. La pression
est de l'ordre de 290 bars, et plus généralement comprise entre 30 et 10 kg/cm
2.
[0031] Les plaques finalement obtenues, colorées dans la masse, sont prêtes à être commercialisées
après une rectification des bords. En exemples, leurs compositions chimiques sont
constituées, en proportions pondérales de matières sèches, de:
|
|
En moyenne |
Fibres de bois |
80 - 90 % |
83 % |
Résine organique |
8 - 12 % |
10 % |
Huile de paraffine |
1 - 2 % |
1.5 % |
Colorant organique |
0.1 - 1 % |
0.5 % |
[0032] Les agents colorants incorporés dans ces compositions suivant l'invention, à une
dose comprise entre 0,1 et 1 % en poids du poids total de la composition en matières
sèches (suivant l'intensité de coloration désirée dans la masse de la plaque finale),
sont tous des colorants organiques qui appartiennent seulement à deux catégories de
la classification SDC, à savoir celle des composés dits basiques, ou celle des agents
colorant dits directs.
[0033] Dans ce cadre rentrent par exemple les agents colorants ci-après :
- Astrazon 2RN pour obtenir une teinte gris anthracite,
- Astrazon FBL pour obtenir une teinte bleu ciel,
- Sirius Royal Blue S pour obtenir une teinte bleu vif.
[0034] En utilisant d'autres colorants des mêmes gammes en même temps que des additifs connus
appropriés, on obtient :
- des plaques spéciales par leur résistance à l'humidité, aux quelles on confère la
couleur verte,
- des plaques colorées en gris en association avec un additif favorisant la résistance
aux agents atmosphériques, en vue des applications en extérieur,
- des plaques colorées en rouge en association avec un additif assurant une bonne résistance
au feu.
[0035] Différents essais ont été effectués pour étudier les mécanismes réactionnels qui
peuvent entrer en jeu pendant le déroulement du procédé de séchage et durcissement
et déterminer comment peuvent s'expliquer les résultats surprenants obtenus par l'invention.
[0036] A ce sujet, il est à souligner que les colorants préconisés suivant l'invention ont
été développés pour servir en teinture de fibres textiles, principalement des fibres
de coton, lesquelles sont dépourvues de lignine et exclusivement constituées de cellulose.
Il était donc imprévisible que les agents colorants de cette famille puissent être
efficaces pour la coloration des matériaux composites à base de fibres de bois, et
ce au point d'imposer la teinte du colorant en faisant disparaître la couleur naturelle
venant des fibres de bois qu'aurait le matériau en leur absence.
[0037] En premier lieu, il apparaît que les colorants voient leur pouvoir colorant préservé
tout au long du traitement de la composition, alors même que les conditions de sa
mise en oeuvre lui font subir des variations de pH importantes et des températures
élevées, que ce soit pendant l'étape de séchage ou pendant l'étape de durcissement
thermo-mécanique proprement dite.
[0038] D'autre part, il semble que l'on doive globalement admettre que pour l'essentiel,
les réactions chimiques qui touchent les fibres de bois pour y fixer le colorant amené
par la résine organique impliquent la cellulose.
[0039] Or effectivement, il se trouve qu'au cours du traitement, les matières volatiles
du bois s'évaporent en majeure partie dans la vapeur dégagée lors du séchage à chaud.
Il en est de même partiellement pour l'hémicellulose et la lignine, dans la mesure
de leur solubilité dans l'eau.
[0040] Les résultats obtenus en appliquant l'invention font également penser que pendant
le processus de traitement, la cellulose du bois subit une réaction d'oxydation à
l'air lors de l'étape de séchage, à la suite de laquelle elle réagit avec les agents
colorants organiques par des fonctions aldéhyde, cétone, ou carboxyle, ce que ne pouvait
prévoir l'homme de l'art.
[0041] En outre, étant donné que la cellulose contenue dans les fibres de bois est sous
forme de microfibres, ou fibrilles, présentant des régions amorphes et d'autres cristallines,
l'addition de vapeur d'eau au cours du traitement entraîne une augmentation des régions
amorphes.
[0042] Les composés organiques constituant des colorants dits basiques ont bien moins tendance
que les colorants directs à réagir avec les fibres de cellulose, mais ils ont l'intérêt
de présenter une forte affinité électrophile, d'où leur capacité à former des ponts
hydrogène les liant par des forces de Van des Walls aux régions amorphes des fibrilles.
[0043] De la sorte, l'invention a l'avantage de permettre la fabrication de plaques de bois
à découper qui présentent dans la masse, des teintes variables à volonté, et notamment
dans les tons pastel, ce que l'on ne pouvait pas concevoir à partir des connaissances
techniques antérieures sans faire oeuvre inventive.
1. Composition à durcissement par polymérisation à chaud sous pression mécanique, pour
la fabrication d'un matériau de remplacement du bois se présentant en plaques à découper,
caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée d'une résine organique de
la famille des aminoplastes et de fibres de bois et en ce qu'elle comporte un agent
colorant organique choisi parmi les colorants basiques et les colorants directs, en
une proportion efficace pour réagir avec la cellulose des fibres de bois et assurer
la coloration du matériau dans la masse en faisant disparaître la couleur naturelle
venant des fibres de bois.
2. Composition suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit colorant est
choisi parmi les colorants directs selon la classification SDC.
3. Procédé de fabrication d'un produit de remplacement du bois, se présentant en plaques
à découper, caractérisé en ce que l'on provoque le durcissement par polymérisation
à chaud sous pression mécanique d'une composition essentiellement constituée d'une
résine organique de la famille des aminoplastes et de fibres de bois, en ce que l'on
incorpore dans ladite composition un agent colorant organique choisi parmi les colorants
basiques ou directs, en une proportion efficace pour réagir avec la cellulose des
fibres de bois et assurer la coloration du matériau dans la masse en faisant disparaître
la couleur naturelle venant des fibres de bois, et en ce qu'il comporte, préalablement
à l'étape de durcissement à chaud sous pression mécanique, une étape de séchage de
la composition effectuée à chaud en atmosphère oxydante.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion dudit agent
colorant dans ladite composition est comprise entre 0,1 et 3 % en poids du poids de
la quantité totale de matières sèches dans ladite composition.
5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion dudit agent
colorant dans ladite composition est comprise entre 0,1 et 1 % en poids du poids de
la quantité totale de matières sèches dans ladite composition.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit
colorant est choisi pour conférer au matériau final une coloration dans la masse dans
des tons pastel.
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ladite
étape de séchage s'effectue à une température comprise entre 120 et 140 °C.
8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ladite
étape de durcissement thermo-mécanique s'effectue à une température comprise entre
160 et 180 °C.
9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la
composition obtenue par ladite étape de séchage est compactée sous forme d'une plaque
continue sur un tamis par aspiration d'air à travers elle avant d'être soumise à l'étape
de durcissement thermo-mécanique proprement dite.
10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que ladite
composition comporte, en pourcentage pondéral par rapport au poids total de matières
sèches, de 80 à 90 % de fibres de bois et de 8 à 12 % de résine de mélamine-formol
et/ou urée-formol.
11. Composition suivant la revendication 1 ou 2 pour la mise en oeuvre du procédé suivant
l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte, en
pourcentage pondéral par rapport au poids total de matières sèches, de 80 à 90 % de
fibres de bois, de 8 à 12 % de résine de mélamine-formol et/ou urée-formol en tant
que résine organique de la famille des aminoplastes, et de 0,1 à 3 % dudit agent colorant
organique choisi parmi les colorants basiques et les colorants directs.