EP0158156B1

EP0158156B1 - Matelas fibreux moulable et son procédé de fabrication

Info

Publication number: EP0158156B1
Application number: EP85103014A
Authority: EP
Inventors: Michel Vernois; François Paugam
Original assignee: ISOROY SA; Isoroy SA
Current assignee: Isoroy Te Lisieux Frankrijk SA
Priority date: 1984-03-20
Filing date: 1985-03-15
Publication date: 1989-06-07
Also published as: JPH0425863B2; FR2561577B1; DE3570894D1; ATE43870T1; CA1235293A; US4680219A; EP0158156A1; FR2561577A1; BR8501212A; JPS615934A; ES541353A0; ES8800862A1

Description

La présente invention concerne un matelas fibreux moulable à base de fibres cellulosiques, ainsi que son procédé de fabrication, ledit matelas fibreux étant destiné à la réalisation de pièces en forme trouvant leur application dans de nombreux domaines.
On connaît déjà des matériaux moulables et/ou déformables à base de fibres de bois ou de farine de bois, la présence dans la composition de ces matériaux d'un composé cellulosique végétal ayant pour but, soit d'abaisser le coût, soit de conférer certaines caractéristiques mécaniques, ou encore d'associer ces deux éléments. On peut classer ces matériaux connus en trois catégories, à savoir, comprenant des fibres uniquement cellulosiques, une poudre cellulosique associée à un matériau thermoplastique, ou bien des fibres naturelles et des fibres synthétiques.

1. Dans la première catégorie, un mélange, sous forme d'une pâte humide, est constitué de fibres de cellulose incluant un faible pourcentage en résine phénolique. La mise en oeuvre de ce matériau est relativement compliquée dans la mesure où elle nécessite un essorage du mélange dans une préforme et la conformation dans un moule chaud où s'effectue le séchage définitif et la densification du produit avec une pression de l'ordre de 40 à 50 kg/cm². Il en résulte un temps de conformation assez long préjudiciable à un rendement élevé, ainsi qu'un outillage coûteux. Par ailleurs, les pièces ne peuvent recevoir un habillage simultanément à l'opération de moulage.
2. Dans la première catégorie également, un matelas de fibres de bois résineux comporte une résine phénolique ainsi que de la colophane. La mise en oeuvre nécessite une réhumidification du matelas à la vapeur, un préformage sur un moule froid suivi d'une conformation à chaud à une température supérieure à 180 °C en exerçant une pression d'environ 50 kg/cm². Ce matériau, s'il confère au produit fini de bonnes caractéristiques mécaniques et s'avère apte au gainage et à la peinture, nécessite par contre un outillage de conformation très onéreux. Il ne permet pas d'obtenir des déformations importantes sans l'obligation de charger en résines les zones critiques et ne peut recevoir un habillage lors du moulage. De plus, son cycle de conformation est relativement long, de l'ordre de 2 minutes. Par ailleurs, l'absence de porosité du matériau dans les zones fortement chargées en résine implique qu'une opération de microperforation précède le gainage de l'habillage.
3. Dans la deuxième catégorie, des plaques sont obtenues par extrusion d'un mélange à base de polypropylène et d'une charge de farine de bois. La mise en oeuvre fait appel à un préchauffage entre 180 et 200 °C des plaques à l'aide d'un rayonnement infrarouge suivi de la conformation dans un moule refroidi pendant une minute à une pression de 5 à 15 kg/cm². Ce matériau, s'il ne requiert pour sa conformation qu'une faible pression et un cycle court, conduit cependant à un produit final cassant en raison de l'absence de structure fibreuse.
4. Dans la troisième catégorie, un carton thermoformable à base de fibres cellulosiques et de fibres de polyéthylène est obtenu par voie papetière. Son principal inconvénient tient au fait que ce carton ne peut être obtenu qu'avec un grammage compris entre 350 et 700 g/m², ce qui nécessite un empilage de plusieurs feuilles afin d'obtenir l'épaisseur et le grammage final requis compris généralement entre 2 et 3 kg/m². Le préchauffage de l'ensemble de ces feuilles s'effectue entre plateaux chauffants (170 à 200 °C) afin d'obtenir la fusion du polyéthylène. Le moulage est obtenu sous une pression de 25 à 50 kg/cm² dans un moule porté à une température de 80 °C.

Tous les matériaux moulables à base de fibres cellulosiques qui sont actuellement disponibles ou qui ont été décrits dans l'art antérieur font appel soit à un procédé de fabrication du type papetier, donc en milieu humide (cf. 4 ci-dessus), soit à un procédé connu dans l'industrie de la transformation des matières plastiques comme l'extrusion (cf. 3 ci-dessus), soit encore à un procédé à sec de type « Rando Wood _" de conformation d'un matelas fibreux à partir de fibres de bois de faible humidité résiduelle aéroportées jusqu'à un dispositif « Rando » modifié. Dans ce dernier cas, on obtient directement un matelas fibreux ayant l'épaisseur finale souhaitée.
Par ailleurs, on connaît d'après le brevet FR-A-2 378 114 un matelas constitué d'une superposition de nappes fines qui sont aiguilletées mais non liées rigidement les unes aux autres.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients des matériaux ci-dessus, en fournissant un matelas fibreux moulable, d'une mise en oeuvre aisée en vue des opérations de moulage, présentant une excellente aptitude à des déformations importantes sans déchirement et conduisant de ce fait à des pièces en forme difficiles à obtenir avec les matériaux connus.
Conformément à l'invention, le matelas, du type constitué d'une superposition de nappes fines qui sont aiguilletées mais non liées rigidement les unes aux autres, présente une composition globale comprenant notamment de 5 à 95 % en poids de fibres cellulosiques résultant d'un défibrage à sec et présentant une humidité résiduelle inférieure à 15 %, et de 0,5 à 10 % environ de fibres textiles synthétiques ou naturelles présentant une longueur d'au moins 30 mm avec au moins deux demi-ondulations par centimètre de longueur.
Selon une première forme de réalisation, le matelas comprend de 5 à 80 % en poids environ desdites fibres cellulosiques, de 0,5 à 10 % environ desdites fibres textiles et, en outre, de 5 à 60 % en poids environ d'un matériau thermoplastique.
Selon une seconde forme de réalisation, le matelas comprend jusqu'à 95 % en poids desdites fibres cellulosiques et de 0,5 à 10 % environ desdites fibres textiles, les fibres cellulosiques étant préalablement encollées au moyen d'une résine, par exemple phénolique.
Pour la fabrication d'un matelas de type ci-dessus, on forme le mélange des constituants, on carde le mélange ainsi obtenu, on forme une nappe fine d'un grammage compris entre 10 et 200 g/m², on superpose par nappage des replis successifs de ladite nappe et l'on effectue un aiguilletage pour former le matelas dont on règle le grammage à la valeur désirée, jusqu'à 2 kg/m² environ.
Dans le cas particulier de la seconde forme de réalisation, telle que définie ci-dessus, on procède à l'encollage des fibres cellulosiques préalablement au mélangeage avec les fibres. textiles.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre explicatif mais nullement limitatif.
Les fibres de cellulose sont avantageusement du type obtenu par voie thermomécanique à partir de bois et comportent une faible humidité résiduelle, inférieure à 15 %, ce qui n'exclut nullement la possibilité d'utiliser des fibres cellulosiques obtenues par une autre technique de défibrage associée à un éventuel raffinage selon les divers procédés bien connus dans le domaine papetier ou dans le secteur des panneaux de fibres. Ces fibres peuvent, si besoin est, avoir reçu un traitement susceptible de leur conférer certaines propriétés requises suivant l'application envisagée. A titre d'exemple non limitatif, on peut incorporer une cire ou une paraffine afin d'obtenir un produit final peu sensible à l'eau.
Les fibres textiles ayant une frisure de plusieurs demi-ondulations au centimètre doivent avoir une longueur telle que lors de la conformation du matelas par la technique de cardage, nappage et aiguilletage, elles confèrent une certaine tenue mécanique au matelas afin de le rendre transportable sans autre forme de consolidation.
Par ailleurs, ces fibres vont conférer une certaine déformabilité au matériau sans que se manifeste de phénomène de déchirure au sein du matelas. A titre d'exemple non limitatif, des fibres de polypropylène ou de polyester de 38 mm de longueur moyenne et comportant 3 à 5 demi-ondulations au centimètre se sont avérées convenir parfaitement.
1 - Dans le cas de la première forme de réalisation mentionnée ci-dessus, le matériau thermoplastique fait partie intégrante du matelas, soit sous forme de fibrilles ou fibres, soit sous forme de poudre.
Dans le cas de fibrilles ou fibres, la matière constitutive est thermoplastique et d'un point de ramollissement inférieur à 200 °C. A titre d'exemple non limitatif, on peut citer les fibres de polyéthylène ou de polypropylène..
Ces fibres thermoplastiques, après fusion ou ramollissement lors de l'opération ultérieure de préchauffage, vont conférer une meilleure cohésion au produit moulé, de meilleures caractéristiques mécaniques ainsi qu'une certaine hydrophobicité au panneau en forme.
Par ailleurs, le fluage dans ·le moule du matériau thermoplastique chauffé au-delà de son point de ramollissement améliore l'aptitude au moulage.
Il est également possible d'envisager en lieu et place des fibres thermoplastiques, un polymère thermoplastique sous forme de poudre ou de granulés de faible diamètre. Ce polymère devra également avoir un point de ramollissement inférieur à 200 °C.
Pour l'opération de mélange des constituants du matelas, deux cas se présentent :

a) le matériau thermoplastique est sous forme de fibres ou de fibrilles ;
- Les trois constituants en proportions adéquates sont mélangés dans une machine rotative, constituée éventuellement d'une encolleuse. En général, les fibres ou fibrilles thermoplastiques livrées sous forme voluminisée devront être préalablement séparées dans un dispositif du type ouvreuse tel que ceux qui sont utilisés dans le secteur de l'industrie textile. Il en sera de même des fibres textiles de 10 à 60 mm de longueur qui devront recevoir un prétraitement du même genre.
b) le matériau thermoplastique est sous forme de poudre ou de granulés de faible diamètre :
- Seules les fibres de bois et les fibres textiles sont alors mélangées dans les proportions souhaitées dans la machine rotative. Le matériau thermoplastique est déversé ultérieurement sous forme de poudre ou de granulés de faible diamètre au niveau de la conformation du matelas à l'aide d'un dispositif approprié, à titre indicatif, au stade du nappage. Dans ce cas, le matelas peut être considéré comme constitué d'une manière non homogène mais plus précisément d'une succession de strates alternées de faible épaisseur.

La conformation du matelas fait appel à un appareillage du type textile associant une chargeuse, un dispositif de cardage, une nappeuse et une aiguilleteuse.
La cardeuse doit être munie d'une carde adaptée au traitement du mélange fibreux précédemment décrit afin qu'il n'y ait ni bourrage dans la machine ni ségrégation entre les fibres longues et les fibres courtes, ou tout au moins, le moins de ségrégation possible.
Si besoin est, la cardeuse sera munie d'un capotage visant à contraindre les fibres au passage dans le ou les cylindres cardeurs ainsi que d'un dispositif de récupération des fibres courtes qui pourront être renvoyées en tête de machine dans la chargeuse.
Au sortir de la cardeuse, le mélange fibreux comprenant les fibres de bois, le matériau thermoplastique ainsi que les fibres textiles de grande longueur se présente sous la forme d'une nappe de faible grammage (10 à 200 g/m²) qui est maintenue éventuellement par un dispositif approprié du type double toile jusqu'à la nappeuse.
Cette nappeuse permet de constituer un matelas de fort grammage (2 kg/m² environ) par empilement successif de couches. Le poids du matelas au mètre carré est aisément modifiable en faisant varier par exemple la vitesse relative entre les tapis d'alimentation et de sortie de la nappeuse. Le nombre d'allers et retours du dispositif mobile de la nappeuse donne le nombre d'empilages successifs dans un temps donné et permet de régler le grammage du matelas dans une large gamme. De même, le matelas peut être obtenu dans des laizes variables en réglant simplement le débattement du dispositif de va-et-vient de la nappeuse. La laize maximale sera uniquement tributaire de la longueur du guide sur lequel se déplace l'élément de nappage. Eventuellement, un dispositif approprié associé à la nappeuse permettra de déverser le matériau thermoplastique sous forme de poudre ou de granulés de faible diamètre afin de constituer un matériau en strates.
Ce matériau thermoplastique pourra ainsi être inséré, soit lors de chaque empilage de nappe en provenance de la cardeuse, soit encore après un nombre déterminé d'empilages de nappes.
Le « Mat de faible densité est ensuite acheminé par un tapis transporteur placé perpendiculairement à l'axe cardeuse-nappeuse, jusqu'à une aiguilleteuse ou éventuellement une préaiguilleteuse qui donnera au matelas final son autoportance. A ce stade, le matelas a la consistance d'une moquette et peut donc être enroulé sur lui-même. C'est sous cette forme de rouleaux ou bobines qu'il pourra être manipulé en vue de l'opération de transformation ou de moulage, sans exclure cependant la présentation au format si nécessaire, grâce à un dispositif de découpe approprié.
La densité d'aiguilles de l'aiguilleteuse permet de faire varier dans une certaine mesure l'épaisseur du matelas que l'on désire obtenir ainsi que sa tenue mécanique. Ainsi, un aiguilletage peu important conduira à un matelas peu dense mais très compressible, alors qu'un aiguilletage plus serré permettra d'élaborer un matelas de plus faible épaisseur.
Toutefois, dans tous les cas, cette opération d'aiguilletage, tout en conférant une tenue mécanique suffisante au matelas pour être aisément manipulable, permettra au « mat de conserver une excellente déformabilité dans tous les sens d'où il résultera une très bonne aptitude au moulage, celle-ci résultant en particulier du jeu possible des nappes fines les unes par rapport aux autres.
Si nécessaire, il est possible d'adjoindre au moment de l'aiguilletage à la surface du mat un matériau de surface qui pourra, soit participer à la décoration de la pièce finie après moulage, soit faciliter le thermocdîtage du matériau décoratif. A titre d'exemple non limitatif, on peut aiguilleter simultanément le matelas sortant de la nappeuse et un voile synthétique du type non tissé en polyéthylène, polypropylène ou toute autre matière thermoplastique à point de ramollissement inférieur à 200 °C qui, une fois chauffé, permettra une meilleure tenue du matériau décoratif par thermofusion ou thermocollage de ce non-tissé.
Il est indispensable que le matériau de surface, qu'il soit présent dans un but décoratif ou inclus afin de faciliter l'accrochage d'un autre support au panneau fini, soit lui-même fortement extensible dans tous les sens afin de ne pas interférer défavorablement sur l'aptitude au moulage du matelas fibreux.
Dans le cas où le mat renferme un ou plusieurs composants thermoplastiques, l'opération de moulage ou de mise en forme du matelas est précédée d'un stade de préchauffage du matelas, de préférence juste avant le passage en presse. On ne peut toutefois exclure qu'un dispositif approprié fixé à la presse réalise très rapidement ce préchauffage du matelas.
Le préchauffage a pour but de porter à une température supérieure à leur point de ramollissement le ou les matériaux thermoplastiques présents dans le matelas.
Ces matériaux thermoplastiques vont ainsi fluer lors du moulage sous pression et participer, après refroidissement, à la consolidation du panneau en forme tout en lui conférant certaines propriétés physiques recherchées, l'hydrophobie par exemple.
En pratique, la température de préchauffage est comprise entre 100 et 200 °C.
A titre d'exemple non limitatif, le préchauffage pourra faire appel à des dispositifs de chauffage par contact, par air chaud traversant et par haute fréquence.
L'appareillage qui semble le plus approprié afin d'avoir une bonne homogénéité de cuisson du matelas fibreux et un temps de chauffage court compatible avec les cycles de moulage, est un dispositif de chauffage par haute fréquence éventuellement associé à un chauffage par contact des plaques de l'appareil.
Après préchauffage, le matelas est transféré immédiatement en presse afin de procéder au moulage. Eventuellement un matériau décoratif constituant une « peau de surface est intercalé entre le matelas en température et le moule. Le moulage peut s'effectuer avec un moule froid, ou un moule légèrement chauffé. Dans certains cas en effet, un moule porté à une température comprise entre 60 et 100 °C confère un meilleur état de surface à la pièce finie.
Le cycle de moulage est compris entre 15 secondes et 3 minutes et la pression exercée entre 20 et 100 kg/cm^2. Au sortir de la presse, le matériau sans revêtement décoratif se présente sous l'aspect d'un panneau fibreux en forme, de densité comprise entre 0,7 et 1,1.
Le matelas moulable ci-dessus permet d'obtenir des pièces à forte déformation, exemptes de déchirures ou manques de matière, consécutifs à des étirements. Les pièces en forme ainsi obtenues restent suffisamment poreuses pour procéder à un habillage ultérieur par aspiration au travers du panneau constitutif.
L'exemple non limitatif ci-dessous fera mieux ressortir la fabrication et le traitement d'un matelas selon la première forme de réalisation conforme à l'invention.

Exemple

Mélange de base :
On mélange ces trois constituants dans une encolleuse à doigts tournants réglée à une vitesse de rotation appropriée. On introduit ensuite le mélange dans une chargeuse qui alimente une cardeuse en ligne avec une nappeuse.
Au sortir de la nappeuse, le matelas d'un grammage compris entre 700 et 2 500 g/m² est aiguilleté pour former un rouleau.
Si nécessaire, il est possible d'effectuer un préaiguilletage sur un matelas de 800 g/m² suivi d'un aiguilletage final sur un empilage de 3 matelas identiques afin de constituer un « mat d'un poids au mètre carré de 2,4 kg.
On préchauffe ensuite le « mat » au moyen d'un dispositif de chauffage à haute fréquence par pertes diélectriques dont la puissance est comprise entre 30 et 50 kw/h et comportant 2 plateaux chauffants maintenus à une température voisine de 140 °C.
La portion de matelas d'environ un mètre carré est ainsi portée d'une manière homogène, tant à coeur qu'en-surface, à une température de 170 °C entre 30 secondes et une minute selon la puissance délivrée par le générateur haute fréquence (fréquence 27,12 MHz).
Ce dispositif de préchauffage est situé à proximité immédiate de la presse afin d'avoir un minimum de déperditions de chaleur lors du transfert du matelas entre le poste de préchauffage et la presse. Eventuellement, ce transfert peut s'effectuer dans un tunnel calorifugé débouchant au niveau des plateaux de la presse.
Le moulage requiert entre 20 secondes et 2 minutes, selon le type de pièce, en moule froid, ou à 80 °C au maximum. En général, urr cycle de l'ordre de 45 secondes à 1 minute permet d'obtenir des pièces de déformation voulue et avec une densification adéquate du matériau.
On exerce une pression comprise entre 40 et 60 kg/cm² sur le matelas afin d'obtenir les propriétés requises. Un chauffage de moule à une température de 80 °C conduit à un meilleur état de surface de la pièce finie sans présenter un aspect fibreux. La surface est alors légèrement glacée.
Après refroidissement, le matériau en forme reste suffisamment poreux à l'air pour ne nécessiter aucune autre opération du type microperforation.
Il - Dans le cas de la seconde forme de réalisation mentionnée plus haut, les fibres cellulosiques et les fibres textiles présentent respectivement les mêmes caractéristiques, mais la teneur en fibres cellulosiques peut atteindre 95 % en poids alors que la teneur en matériau thermoplastique est nulle.
Au niveau de la fabrication du matelas, on procède à l'encollage des fibres cellulosiques avec une résine thermodurcissable préalablement au mélangeage avec les fibres textiles, la suite des opérations étant identique.
En ce qui concerne le moulage du mat selon cette seconde forme de réalisation, l'opération de préchauffage est éliminée puisqu'aucun matériau thermoplastique n'est à porter à son point de fusion, tandis qu'on effectue un traitement à la vapeur juste avant le moulage ou lors du moulage de façon connue en soi, le moulage étant effectué en moule chaud à une température suffisante pour la polymérisation de la résine d'encollage, par exemple à une température supérieure à 200 °C pour une résine phénolique. Le cycle et les conditions de moulage sont identiques pour les deux formes de réalisation décrites ci-dessus.
Grâce au matelas selon l'invention, on peut mouler des pièces telles que des panneaux en forme pour garnitures intérieures de portières d'automobile comportant un accoudoir intégré, d'où il résulte une très forte déformation. Aucune amorce de déchirure n'est constatée, même sur les parties à fort étirage.
Des essais ont montré par ailleurs qu'il est possible au stade de la mise en oeuvre (pressage) d'introduire éventuellement un matériau de garnissage (moquette, PVC) qui reste thermocollé au panneau en forme.
La découpe et l'introduction d'inserts peut également avoir lieu dans le même cycle, d'où il résulte une facilité de mise en oeuvre et un gain de productivité.
Il y a lieu de noter qu'au niveau de l'opération de nappage, on peut, en outre, ajouter au matériau un composé générateur de vapeur d'eau lors du stade de moulage, tel qu'un alun de fer par exemple, si la teneur en fibres cellulosiques est élevée et leur humidité inférieure à 15 %.
Par ailleurs, en ce qui concerne les matières de garnissage, il est également possible, au niveau de l'opération de nappage, d'intercaler une ou plusieurs nappes à propriétés particulières.
Comme indiqué plus haut, le matelas selon l'invention peut trouver des applications variées impliquant des panneaux en forme, telles que dans les domaines suivants :

construction automobile en tant qu'habillages intérieurs de véhicules : garniture intérieure des portières, tableaux de bord, pied milieu, tablettes arrière, gainages divers, fonds de dossier, pied d'auvent, etc. ;
ameublement ;
articles de voyage : valises, malles, etc.
emballage, conditionnement ;
agencement : boîtes à lettres par exemple ;
capotages divers en bureautique.

Claims

1. Matelas fibreux aiguilleté moulable, à base de fibres cellulosiques et de fibres textiles synthétiques ou naturelles et constitué d'une superposition de nappes fines qui sont aiguilletées mais non liées rigidement les unes aux autres, caractérisé par le fait qu'il présente une composition comprenant de 5 à 95 % en poids de fibres cellulosiques résultant d'un défibrage à sec et présentant une humidité résiduelle inférieure à 15 % et de 0,5 à 10 % environ de fibres textiles présentant une longueur d'au moins 30 mm avec au moins deux demi-ondulations par centimètre de longueur.

2. Matelas fibreux selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les fibres cellulosiques sont du type obtenu par voie thermomécanique à partir de bois.

3. Matelas fibreux selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les fibres textiles sont constituées par du polypropylène ou du polyester.

4. Matelas fibreux selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les nappes fines destinées à être aiguilletées présentent en soi un grammage de 10 à 200 g/m², pour un grammage dudit matelas de 2 kg/m² environ.

5. Matelas fibreux selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend de 5 à 80 % en poids de fibres cellulosiques, de 0,5 à 10 % en poids de fibres textiles et, en outre, de 5 à 60 % en poids d'un matériau thermoplastique constitué par des fibrilles, des fibres ou une poudre en une matière présentant un point de ramollissement inférieur à 200 °C, telle que le polyéthylène ou le polypropylène.

6. Procédé de fabrication d'un matelas fibreux selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on mélange les fibres cellulosiques, les fibres textiles préalablement ouvertes et éventuellement le matériau thermoplastique, on carde le mélange ainsi obtenu sous forme d'une nappe fine d'un grammage de 10 à 200 g/m², puis l'on superpose par nappage des replis successifs de ladite nappe pour former le matelas, dont on règle le grammage à la valeur désirée jusqu'à 2 kg/m² environ, puis que l'on effectue un aiguilletage dudit matelas, les opérations étant effectuées de sorte que le matelas présente une composition comprenant de 5 à 95 % en poids de fibres cellulosiques résultant d'un défibrage à sec et présentant une humidité résiduelle inférieure à 15 % et de 0,5 à 10 % environ de fibres textiles présentant une longueur d'au moins 30 mm avec au moins deux demi-ondulations par centimètre de longueur.

7. Procédé de fabrication d'un matelas fibreux selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on incorpore éventuellement au cours de l'aiguilletage un matériau de surface tel qu'un voile synthétique non tissé, à point de ramollissement inférieur à 200 °C.