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