Extrusion de bois - Wood

CRIF - Centre de recherche collective des secteurs : produits métalliques et
plastiques – mécanique – électro & technologies de l’information et de la
communication (TIC) – moyens de transport
Etablissement reconnu par application de l’arrêté-loi du 30 janvier 1947
Parc Scientifique de la Cense Rouge, rue du Bois St. Jean 12, B-4102 Seraing
Tél : 04/361.87.00 – Fax : 04/361.87.02 – E-mail : [email protected]
Extrusion de bois
L. MAES
F. MONFORT-WINDELS
CRIF-WTCM
Avril 2001
Décembre2001
Toute représentation ou reproduction, intégrale ou partielle, fait sans le consentement
de l’auteur, ou de ses ayants droit, ou ayant cause, est illicite et
constituerait une contrefaçon sanctionnée.
TABLE DES MATIERES
1.
PRINCIPE .................................................................................................................... 1
2.
MATÉRIAUX............................................................................................................... 2
2.1 FRACTION BOIS............................................................................................................ 2
3.
TECHNIQUES ............................................................................................................. 4
3.1 SYSTÈME STRANDEX ................................................................................................... 5
3.1.1 Séchage ..............................................................................................................5
3.1.2 Mélange..............................................................................................................5
3.1.3 Extrusion ............................................................................................................6
3.2 DAVIS-STANDARD ....................................................................................................... 6
3.2.1 Caractéristiques..................................................................................................6
3.2.2 Comparaison de la technique en ligne Davis-Standard avec la licence Strandex. 7
3.3 KRUPP WERNER & PFEIDERER ..................................................................................... 7
3.4 EINWOOD™ ............................................................................................................... 8
3.5 LEISTRITZ ................................................................................................................... 8
4.
MARCHÉ ..................................................................................................................... 9
5.
ADDENDUM .............................................................................................................. 10
6.
RÉFÉRENCES ........................................................................................................... 12
1. Principe
Par le terme "extrusion de bois", on entend le compoundage et l'extrusion de fibres de bois avec
un polymère thermoplastique dans le but de fabriquer un produit semblable au bois naturel. Dans
ce procédé d'extrusion, la fraction bois est le composant principal et représente de 60 à 80 % du
matériau, la fraction thermoplastique n'étant présente qu'à titre de liant.
L'extrusion de bois est une technique déjà implantée commercialement aux USA et au Canada.
En Europe et en Asie, elle n'a pas encore fait sa pénétration.
Les produits finis sont avant tout du "bois de charpente", sous forme de planches ou de profilés
pour des clôtures ou pour la construction de planchers de terrasses, de vérandas ou de jetées. Un
avantage du procédé d'extrusion est l'obtention de profilés 'net shape'.
Photo : Site web Strandex (www.strandex.com)
Le produit final ressemble tout à fait au bois naturel. Il donne la même sensation et peut être
travaillé de la même façon. On peut forer les lattes et profilés ou les scier avec les mêmes outils
que le bois naturel. On peut les coller ou les peindre.
On peut ajouter les avantages suivants :
-
l'absorption d'eau du bois extrudé est plus faible ;
on peut colorer le bois extrudé dans la masse.
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2. Matériaux
2.1 Fraction bois
La fraction bois est le composant principal. En fonction du type de procédé, les produits
contiennent de 60 à 80 % de bois.
La fraction bois est constituée de farine finement
moulue au départ de déchets de rabotage ou de sciage.
En principe, plusieurs types de bois sont pris en
compte, depuis le bois plein, jusqu'aux panneaux de
fibres en passant même par les poussières de sciage de
MDF.
La gamme de la plupart des fournisseurs de poudre de
bois comprend de nombreux grades et types[1]. Les
facteurs qui influencent les caractéristiques du bois
extrudé sont entre autres la dureté du bois, sa structure
cellulaire, la granulométrie et la distribution de celleci.
La taille des particules des farines de bois
commerciales est de 20 à 100 mesh. Les
granulométries utilisées en extrusion de bois se situent
Photo : Strandex website (www.strandex.com)
le plus souvent entre 40 et 80 mesh, bien que des
matières plus fines puissent être acceptées, dans des proportions bien déterminées.
Il est très important d'organiser manipulation et transport de la farine de bois avec toutes les
précautions nécessaires compte tenu du risque d'incendie.
Remarque : En principe, d'autres sources de cellulose ou d'autres fibres naturelles peuvent
également être utilisées. On vise là par exemple coques de cacahuètes, bambous ou
roseaux. De la farine de bois peut dans ce cas être ajoutée en plus petites quantités,
comme additif, pour faire baisser le prix du compound.
Fraction polymère
La fraction polymère sert de liant et est également alimentée sous forme de poudre. Une bonne
dispersion du polymère et un bon mouillage des fibres de bois augmentent la qualité du produit
final.
Différents polymères sont utilisés.
Les premiers produits d'extrusion du bois sont apparus dans le secteur du recyclage. Ce qui
explique que les premières applications étaient basées sur du polyéthylène (PE) recyclé.
Actuellement aux Etats-Unis on utilise également le PVC recyclé. Des grandes entreprises
d'extrusion PVC se sont lancées dans l'extrusion bois et trouvent là une opportunité non
seulement pour diversifier leur gamme de produits mais également une application pour recycler
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leurs déchets de production. Par rapport au PE, le PVC a de meilleures propriétés physiques et
un meilleur comportement au feu.
La fraction polymère se présente également sous forme de poudre qu'on peut traitée pour obtenir
une bonne dispersion et un bon mouillage des fibres de bois.
Pour assurer un approvisionnement régulier et une qualité constante, des résines vierges sont de
plus en plus utilisées. Divers fournisseurs de matériaux, comme Solvay[3] recherchent des grades
de PP et PE spécifiques qui pourraient améliorer les caractéristiques du produit final pour offrir
une vraie alternative au bois naturel. Avec une base PP, on peut obtenir des profilés présentant
de meilleures propriétés mécaniques.
Dans le même esprit, de nouveaux additifs ont été développés, qui doivent contribuer à
l'obtention d'une meilleure qualité[3]. En dehors des antioxydants et des pigments, on a cherché
surtout des agents de liaison pour améliorer le couplage entre les fibres de bois et les chaînes
polymères. Les avantages liés à une augmentation de la qualité des produits finaux doivent être
mis en balance avec le coût de tels additifs.
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3. Techniques
L'extrusion de farine de bois diffère de celle des thermoplastiques classiques à plusieurs niveaux.
Le bois possède une série de propriétés spécifiques qui influencent le processus d'extrusion.
q
la farine de bois est par nature très humide. Il faut donc prévoir dans le process une étape
pour éliminer cette humidité.
q
les fibres de bois sont sensibles à la température. Pour éviter leur surchauffe et donc leur
dégradation, il faut trouver un compromis entre la nécessité d'opérer un bon mélange et la
nécessité de limiter les forces de cisaillement et le temps de séjour dans la vis.
q
le bois est un matériau qui a des propriétés spécifiques différentes des polymères, comme le
retrait ou la conductivité thermique, qui peuvent influencer fortement les paramètres de mise
en oeuvre (calibration, refroidissement, conception de la filière…).
Plusieurs systèmes différents, conçus spécialement pour l'extrusion du bois sont disponibles sur
le marché. Le tableau suivant en donne un aperçu.
Nom
Strandex
Davis-Standard
EinWood™
Extrudeuse
Système
Contact
Extrudeuse double-vis
conique Cincinnati
Vente de licence
Strandex Europe
DPDS International
Mr. Barry John Davis
7, Anton Drive
Walmley, Sutton Coldfield
West Midlands B76 1XQ
ENGLAND
T: +44-121-240.47.73
F: +44-121-240.47.74
[email protected]
www.strandex.com
Séchage en ligne et
extrusion sur une machine
unique
Vente d'une machine
spécifique :
Woodtruder™
Davis Standard
Mr. Clifford Mosey
187 Camford Way, Sundon Park,
Luton, Bedfordshire LU3 3AN
ENGLAND
T: +44-1582-57.05.01
F: +44-1582-59.73.63
Vente d'une licence
Développée par EIN
Engineering, Tokyo,
Japan
EIN Engineering Co
Koei Bldg 32-2
Nishi Gotanda 1-Chome
141-0031 Shinagawa-Ku, Tokyo
JAPAN
Commercialisée par
Inteque Resources,
Cincinatti, USA
Tel : +3 - 34 90 - 18 61
Fax: +3 - 34 90 – 44 12
http://inteque.com/
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Nom
Extrudeuse
Système
Contact
KW&P
Extrudeuse double-vis
“ZSK Megacompounder”
Vente de l'extrudeuse
Krupp Plastics & Rubber
Machinery
Dhr.Gogne
Halfstraat, 5
2630 Aartselaar
BELGIE
Tel : +32-3-870 51 00
Fax: +32-3-877 07 10
Leistritz
Extrudeuse double-vis
Vente de l'extrudeuse
American Leistritz Extruder Corp
Mr. Charlie Martin
169 Meister Ave
Somerville, New Jersey, NJ 08876
USA
Tel : +1-908-685-2333
Fax: +1-908-685-0247
3.1 Système Strandex
Strandex est vendu sous forme de licence. Il s'agit d'un procédé en plusieurs étapes :
q
q
q
séchage du bois
mélange bois-thermoplastique
extrusion
La licence comprend les informations et prestations de service nécessaires à la formulation du
compound et à la transformation de la poudre de bois ainsi que les règles nécessaires à la
conception de la filière.
3.1.1 Séchage
La présence d'humidité peut conduire à la formation de bulles ou de défauts dans le produit fini.
Le procédé Strandex est basé sur une phase séparée de la farine de bois. Le prétraitement
consiste en un séchage et un chauffage de la poudre avant l'extrusion. La teneur en humidité doit
être amenée en dessous de 0.5 % - 1 %. Un matériau bien sec facilite l'extrusion et débouche sur
une meilleure productivité et des produits de qualité constante.
3.1.2 Mélange
Le système Strandex travaille aussi bien avec du polyéthylène haute densité que du PVC.
Diverses formulations sont disponibles et elles font partie du know how cédé avec la licence.
Les poudres de bois et de polymère sont mélangées en batch puis amenées à l'extrudeuse via un
système d'alimentation. Le pourcentage de bois est généralement autour de 70% pour le HDPE et
plutôt de 60% pour le PVC.
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3.1.3 Extrusion
L'extrusion est réalisée dans une extrudeuse double-vis conique Cincinnati. Le design conique
des vis dégage un plus grand espace dans la zone d'alimentation et permet une montée en
pression progressive.
L'avantage principal de ce design est un temps de séjour court dans la dernière zone de la vis et
donc une décomposition ou une dégradation des fibres de bois réduite.
A la sortie de l'extrudeuse, il n'y a généralement pas besoin d'une calibration et les forces de
traction nécessaires sont faibles voire inexistantes.
De même, la longueur de refroidissement est très basse parce que le bois se refroidit vite. Le
profilé est généralement refroidi à l'air ou avec des jets d'eau et peut ensuite être coupé aux
longueurs standards.
Une grande partie des bois extrudés produits commercialement aux USA est fabriquée sur des
systèmes Strandex.
Actuellement, huit entreprises sont licenciées Strandex dont une au Japon et une au Canada.
3.2 Davis-Standard
3.2.1 Caractéristiques
Le système Davis-Standard est basé sur une machine unique, le Woodtruder™. Cet équipement
assure à la fois la préparation du bois et l'extrusion du compound. La machine est construite avec
une double-vis parallèle dont les vis sont contra-rotatives, sur laquelle vient se greffer une simple
vis.
La poudre de bois est amenée à débit contrôlé par un système d'alimentation gravimétrique,
séché et alimenté dans l'extrudeuse double-vis. Celle-ci assure le transport de la poudre à bas
régime et faible cisaillement. Une zone de dégazage chauffée permet d'éliminer l'humidité
superflue dans la poudre de bois. Le bois se trouve ainsi séché en ligne.
L'extrudeuse annexe, qui est montée à mi-chemin de l'extrudeuse double-vis permet la
plastification de la fraction polymère. En fonction du rapport bois-polymère, le polymère
plastifié est injecté dans l'extrudeuse double-vis. Cette technique permet un meilleur enrobage
des fibres de bois par le polymère.
Le mélange bois-thermoplastique est finalement intimement réalisé dans la zone de mélange de
l'extrudeuse double-vis. Un dégazage sous vide est prévu pour supprimer l'humidité encore
présente. Le matériau composite arrive finalement à la tête de mise en forme et est refroidi par
jets d'eau.
Le Woodtruder™ est disponible en trois dimensions, avec des diamètres de vis de 94 mm,
114 mm, 140 mm (L/D = 28:1), ce qui correspond à des débits de, respectivement, 300 kg/h,
500 kg/h, et 900 kg/h.
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3.2.2 Comparaison de la technique en ligne Davis-Standard avec la licence Strandex.
Davis Standard
Strandex
ü Pas de nécessité d'avoir des équipements
de séchage ou de mélange séparés.
ü Séchage nécessaire : ceci suppose des
risques d'incendie et donc la prise en
compte de mesures de sécurité.
ü Mais de hautes teneurs en humidité ne
peuvent être traitées (> 10%).
ü Possibilité d'alimenter les matières en
continu.
ü Extrudeuse double-vis parallèle,
extrudeuse complémentaire.
avec
ü Système flexible dans le sens où différents
mélanges de plastiques et de produits
cellulosiques (de diverses origines)
peuvent être traités.
ü Un système de séchage central desservant
plusieurs machines peut être économique.
ü Séchage et mélangeage sont des opérations discontinues, en batch.
ü Extrudeuse double-vis conique.
ü Les formulations du compound font partie
de la licence.
ü Productivité réduite.
ü Hautes teneurs en bois possibles (jusqu'à
80 %).
3.3 Krupp Werner & Pfeiderer
Le système de Krupp Werner & Pfeiderer (KW&P) est également un système en ligne qui ne
demande pas de séchage préalable. L'extrusion a lieu dans une double-vis parallèle co-rotative de
58 mm (type ZSK). La farine de bois non séchée est alimentée telle quelle en tête de l'extrudeuse
et comme dans le système Davis-Standard l'humidité est mécaniquement éliminée du bois.
Le polymère est ensuite ajouté ainsi que les additifs éventuels et l'ensemble est mélangé dans la
deuxième partie de l'extrudeuse.
Krupp Werner & Pfeiderer offre trois possibilités pour la mise à forme :
ü l'extrusion directe de profilés : la double vis est suivie directement d'une extrudeuse monovis qui donnera la forme au profilé.
Le désavantage de cette solution est la productivité limitée. L'élimination de l'humidité de
la farine de bois est l'étape limitative pour la vitesse du processus, et l'importance de ce
facteur dépend du type de polymère et de la forme du profilé. Cette configuration a été
adoptée sur trois lignes d'extrusion, avec des taux de farine de bois de 45-60 %, et des vis
de 58 mm. Ces procédés permettent un débit de 450 kg/h.
ü L'extrusion directe de granulats. Dans ce cas, la double-vis est simplement équipée de la
filière nécessaire à l'extrusion d'un jonc.
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ü Extrusion d'un granulat via une simple vis.
Cette configuration conduit à une meilleure productivité parce qu'un dégazage
supplémentaire est prévu lors du passage entre la double-vis et la simple-vis.
De plus, l'extrudeuse simple vis peut travailler à une vitesse plus basse, plus optimale
pour le développement de la pression.
3.4 EinWood™
EinWood™ est une technique japonaise qu'il est possible d'acquérir sous forme de licence.
Sa spécificité consiste en l'utilisation d'un additif spécialement développé pour que le polymère
fondu s'incorpore bien dans les pores du bois et que des liaisons mécaniques et chimiques se
créent entre les deux constituants. On aura donc un bois de qualité supérieure, avec de meilleures
caractéristiques mécaniques, une plus grande stabilité dimensionnelle et une absorption d'eau
moindre.
La poudre de bois est séchée selon une technique brevetée, inspirée du compoundage du PVC.
L'humidité est éliminée par la chaleur dégagée par l'énergie de rotation. Il n'y a pas d'apport de
chaleur supplémentaire.
3.5 Leistritz
Leistritz offre une autre variante de l'extrusion bois. L'entreprise commercialise une extrudeuse
double vis parallèle pour la fusion et la plastification tandis que les fibres de bois préalablement
séchées (3-5% d'humidité) sont introduites sur le côté par un système d'alimentation. La plupart
des extrudeuses commercialisées à ce jour font des granulats. Dans quelques cas, on extrude
directement des profilés, mais pour ce faire, une extrudeuse simple vis est placée en tandem.
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4. Marché
Dans le court terme, on prévoit une croissance du marché, surtout dans les pays suivants :
Canada, USA, Scandinavie, Russie et Australie. Dans chacun de ces pays, l'industrie du bois est
largement implantée et le secteur voit dans l'extrusion une solution au problème des déchets de
rabotage et de sciage.
Les marchés sont le bâtiment, avec les planchers, les profilés de portes et fenêtres, les clôtures et
l'industrie du meuble.
Les Etats-Unis sont les leaders du marché avec 180.000 t de profilés de bois extrudé en 1995[5] et
on prévoit une croissance annuelle de 60 %[5].
Les données les plus récentes[6] indiquent pour 2000 une production de 315.000 t aux USA
seulement et prévoit un doublement de cette production pour 2005.
La plupart des transformateurs équipés de la technique d'extrusion-bois ont vu leur chiffre
d'affaires augmenter de 40-50% en 2000.
L'Asie marque également un grand intérêt, surtout le Japon et la Corée, où les transformateurs de
bois et de papier recherchent aussi des voies de recyclage de leurs déchets de sciage. Au Japon, il
y aurait 12 entreprises pour le seul procédé EinWood™.
En Europe, par contre, la technologie est encore rarement appliquée. On s'attend ici aussi à un
changement dans un futur proche. Les fournisseurs de systèmes et d'équipements pour l'extrusion
de bois commencent à investir le marché.
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5. Addendum
Composites bois/plastique: Présence remarquée au salon K2001
Nous avons déjà montré précédemment que les composites bois/plastique peuvent s’imposer en
Europe. Cette tendance a été clairement confirmée par la présence de différents acteurs au salon
K-Messe qui s’est tenu dernièrement à Düsseldorf.
Lesco Technology est un de ces acteurs. Cette entreprise de Singapour propose différents types
de granulés, tous basés sur un mélange constitué à 40% de PVC et à 60% de farine de bois.
Différentes nuances sont disponibles, en fonction de l’application visée (résistance aux rayons
UV, résistance accrue aux chocs, etc.) et l’entreprise prévoit des formules aussi bien pour les
produits extrudés que pour les produits moulés par injection. Lesco se distingue d’autres
fournisseurs étant donné qu’elle ne demande aucun droit de licence spécifique. L’entreprise
garantit en outre que les matériaux peuvent être mis en œuvre sur des machines standard,
moyennant l’utilisation d’une vis adaptée. Le prix d’une nuance standard s’élève à 1,05 US
dollar/kg.
Cette technologie intéresse également le secteur des matières premières. Crompton Corporation a
présenté au salon K2001 une gamme d’additifs permettant d’améliorer le mélange entre les
fibres de bois et le plastique. Ces additifs, regroupés sous le vocable Polybond, sont disponibles
selon plusieurs formules aussi bien pour le PP, le HDPE que le LDPE. Un rapport technique de
la société indique que l’application de 2,5% de Polybond dans un composite HDPE contenant
40% de farine de bois entraîne une augmentation de 60% de la résistance à la flexion, double la
résistance aux chocs et accroît la HDT de ± 15 °C par rapport à un même composite ne contenant
pas de Polybond.
La plupart des possibilités offertes par cette technique ont cependant été démontrées au stand du
fabricant mécanique Cincinnati Extrusion. Cette entreprise possède déjà une longue expérience
dans la transformation de composites bois/plastique au moyen d’extrudeurs à double vis
coniques que l’entreprise commercialise pour la transformation des fibres de bois, lesquelles
s’avèrent quand même un matériau sensible. Cincinnati Extrusion propose des systèmes
complets grâce à une collaboration avec différents partenaires, qui participaient également au
stand de Cincinnati, à savoir:
√ MTI, une entreprise spécialisée dans les matériaux agglomérés;
√ PPT (Pro-Poly-Tec), une entreprise allemande fabriquant des outils d’extrusion et des unités
de calibrage, spécialement pour l’extrusion du bois;
√ JRS, également une entreprise allemande spécialisée dans le traitement et la vente de fibres
de bois et autres;
√ Fasalex, une entreprise autrichienne, fournisseur de compounds, se composant d’un petit
20% de polymère (PP, PS ou PE) et de 60% de farine de bois. Les produits Fasalex ont ceci
d’original que les 20% restants sont constitués de maïs, lequel fait office de liant. Fasalex
offre en outre un type de matériau faisant appel à une matière plastique biodégradable. Les
produits Fasalex sont proposés sous forme de granulés. Ils sont toutefois liés à un système de
licence. Le prix du matériau même se situe entre 0,45 Euro et 1,00 Euro/kg;
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√ Tech-wood, un groupe néerlandais récemment créé, est le fruit de plusieurs années de
recherche dans le domaine des composites bois/plastique. Contrairement à la plupart des
autres matériaux, ceux de Tech-wood sont basés sur des fibres de conifères (70%) et non sur
de la farine de bois. Tech-wood vise dès lors des applications extérieures, plus structurelles,
dans le secteur de la construction. Le plastique utilisé est toujours du PP. Les deux matériaux
sont d’abord mélangés, puis transformés selon le principe de "pushtrusion". Il s’agit selon
Tech-wood d’une variante du processus d’extrusion mais la différence ne nous paraît pas
claire. Les matériaux pourraient également être transformés par moulage par injection. Techwood envisage maintenant de commercialiser la technologie dans le monde entier par le biais
de joint-ventures ou de licences.
Le marché européen de ces composites bois/plastique est encore ouvert. Sont avant tout visées
des applications dans le secteur du bâtiment mais d’autres secteurs peuvent également profiter de
ces nouveaux matériaux qui combinent les propriétés positives du bois et du plastique.
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6. Références
1. Jan H. Schut, “For compounding , sheet & profile, wood is good”, Plastics Technology,
march 1999, p 46-52.
2. Robert Colvin, “Machine suppliers cater to growing market for extruded wood profiles”,
Modern Plastics Int., november 2000, p26-27.
3. Robert D. Leaversuch, “Wood-fiber composites build promising role in extrusion”, Modern
Plastics Int, december 2000, p62-66.
4.
Worldplas Network, http://www.worldplas.net/, “Wood enters the frame”
visited january 2001.
5. Kline & Company Inc, “The Outlook For Natural-Fiber Composites, 2000-2005”.
6. Principia Partners, “Wood Composites in Decking Structures-2001 : Building of outdoor
living areas”, uit Plastics Technology, maart 2001.
7. Strandex brochure “Wood Composites Products / Profiles” en Strandex website :
http://www.strandex.com.
8. Davis Standard brochure “Woodtruder ™”.
9. Inteque Resources Corporation website : http://inteque.com.
10. S. M. Jackson, “Advanced Processing Technology for Manufacturing Wood-Polymer
Composites”, Werner & Pfleiderer Corp.
11. Krupp Werner & Pfleiderer brochure, “ZSK Mc – Twin-screw MEGAcompounders” en
KW&P website : http://www.kwpc.com/kwpc/pr/woodsheet.
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