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25 SEPTEMBRE 2015
LES FILAMENTS DE CELLULOSE
UN MATÉRIAU DE L’AVENIR
Conjuguer nature et haute technologie pour créer les matériaux
de demain
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PLAN DE LA PRÉSENTATION
• Kruger et FPInnovations
• C’est quoi des filaments de cellulose ?
• Le projet FiloCell™
• L’usine de fabrication pré-commerciale
• Les applications de FiloCellTM:
• Pâtes et papiers
• Applications dans secteurs non-traditionnels
• Conclusions
2
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LA SOCIÉTÉ KRUGER
• Fondée en 1904
• Une entreprise familiale privée de troisième
génération
• 5 000 employés répartis au Canada et aux É.-U.
3
Joseph Kruger Gene H. Kruger Joseph Kruger II
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LA SOCIÉTÉ KRUGER
• La société Kruger s’est taillée une solide réputation à
l’échelle mondiale dans des secteurs traditionnels :
• papiers pour publications (papier journal, papier couché et
papiers
pour usages spéciaux);
• bois d’œuvre;
• carton et emballages…
4
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LA SOCIÉTÉ KRUGER
5
• La société Kruger œuvre également dans divers
secteurs :
• papiers à usages domestiques et
institutionnels;
• énergie renouvelable;
• vins et spiritueux;
• recyclage;
• biomatériaux.
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• Membre de FPInnovations
• Chaire de recherche UQTR
• Projets de recherche avec Universités
• Plus récemment un projet R&D a changé la donne
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L’APPROCHE R&D CHEZ KRUGER
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• Le centre de recherche en pâtes et papiers le plus
important au monde
• 90 ans d’histoire
• 179 sociétés membres de l’industrie
• Financement : l’industrie et les gouvernements fédéral et
provinciaux
• Centre de recherche forestière de calibre mondial
• 525 employés spécialisés
• 4 établissements au Canada
• budget annuel : ~90 millions de dollars
• Feuille de route : résultats en ce qui a trait à l’incidence
sur les résultats financiers
• Solutions et innovations scientifiques
• Mise en œuvre en usine et commercialisation
7
Québec
Vancouver
Pointe-Claire
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8
LES FILAMENTS DE CELLULOSE
TOUT A COMMENCÉ AVEC…
0
100
200
300
10 20 30 40 50 60
Teneur en matières solides de la feuille (%)
Fo
rce h
um
ide d
e la f
eu
ille
+10 % FC
70 % NBSK + 30 % CCP
8
Xujun Hua
-
QUE SONT LES FILAMENTS DE
CELLULOSE?
9
Longueur : 500 à 1
000μm
Largeur : 80 à 300 nm
Épaisseur : 40 à 100 nm
On obtient ~1 000 filaments
de cellulose en séparant
une fibre de pâte kraft
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LE PROJET FILOCELL
• FPInnovations et Kruger Biomatériaux inc. forment
une alliance stratégique en septembre 2013.
• Les objectifs du projet :
• La conception, la construction et l’exploitation d’une usine
de FC
ayant une capacité de production de 5T/j
• La mise au point de nouvelles applications de FC
• Un projet de 43,1 millions de $
• 3 ans
10
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NOUS NE SOMMES PAS SEULS…
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MFC/CNF - DaicelCNF – Oji/MitsubishiMFC/NFC - UPM CNF –
AsahiKaseiCNF – Nippon
CNF – Univ.
Maine
NFC - Innventia UFC - JRS MFC/NFC - CTP MFC - JRS
CNC - CelluforceCNC - MelodeaCNC - NRC CNC - USDA CNC -
Alberta
FiloCell
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MAIS NOUS SOMMES UNIQUES !
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N a n o
M i c r o
M a c r o
Longueur / largeur
Kraft Pulp
FiloCellTM
Microfibrillated cellulose
(J. Rettenmaier & Söhne,
Daicel, Borregaard, UPM)
Nanofibrillated cellulose
(Innventia, CTP, Nippon,
Oji, Daicel)
Crystalline Nanocellulose
(Celluforce, NRC, Melodea,
USDA, Alberta)0.1
1
10
100
1,000
10,000
0 200 400 600 800 1000 1200
Lo
ng
ue
ur
(x
10
00
) [n
m]
-
LE PROJET - DATES IMPORTANTES
Sept. 2013 : lancement du projet, conception de l’usine
Le 31 mars 2014 : construction de l’usine, mise en service, AQ
et CQ
Le 5 juin 2014 : production du 1er lot de FC de qualité
Le 10 juillet 2014 : expédition du 1er chargement de camion, 1er
essai à l’usine
Jusqu’en septembre 2015 : expédition de plusieurs chargements de
camion, 16 essais de dispersion, 20 essais sur les machines à
papier et 2 essais de pâte commerciale
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L’USINE DE FC
• Située à même l’usine de Trois-Rivières
• Une usine construite sur plusieurs niveaux
• Construction réalisée sur une période de 37 semaines
• 57 000 heures de travail
• Construction achevée le 31 mars 2014
• Excellent bilan en santé et sécurité, aucun incident avec
perte de temps
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PRODUCTION À L’ÉCHELLE
PRÉCOMMERCIALE
15
• Mise à l’échelle de 25 fois de l’installation pilote de
FPInnovations
• Production de 5T/j
• Un procédé robuste et fiable
• Contrôle en continue de la qualité
• Les sacs ont été développés spécifiquement pour les FC et
conviennent bien au transport
• 16 essais pleine échelle en usine
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CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
• Analyseur de FC
• Mis au point par
FPInnovations
• Système de contrôle en
continue de la qualité
intégré à la production de
FC
• Mesure de la qualité de
chaque sac
16
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LA QUALITÉ DES FC
• Le 1er lot de FC – le 05 juin 2014
• Le 1er chargement complet – le 10 juillet 2014
• Qualité confirmée au moyen :
• de la microscopie
• de feuilles d’essai de renforcement
• de la performance des FC sur les MP de l’usine et lors des
essais de pâte
• de mesures effectuées à l’aide de l’analyseur de FC
• d’une analyse chimique
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POURQUOI CE MATÉRIAU EST INTÉRESSANT?
• Chaque fibre de Kraft est pelée en 1000 filaments de
cellulose
• Chaque filament est long, mince et flexible
• La surface spécifique est exceptionnellement élevée
• Par conséquence un potentiel de renforcement très élevé:
• Papiers, cartons, essuie-tout et papiers hygiéniques
• Nouveaux produits comme les composites
• Matière première renouvelable, procédé sans effluent,
sans produits chimiques et sans effluents
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APPLICATIONS DANS LES SECTEURS
TRADITIONNELS PAPETIERS
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UTILISATIONS POTENTIELLES DES FC
DANS LE SECTEUR DES PÂTES ET PAPIERS
FC
Papiers à usages domestiques
et institutionnels
Pâte commerciale
Papiers pour publications et pour
usages spéciaux
Emballages légers
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DISPERSION DES FC
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• Une bonne dispersion est essentielle!
• 16 essais de dispersion effectués
• Différents triturateurs (triturateur en
discontinu et en continu)
• Prédispersion et livraison par camion-citerne
• Unité de préparation modulaire de FPInnovations
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20 ESSAIS COMMERCIAUX EN USINE
• Machine à papier
• 6 sites
• 20 essais
• Usine de pâtes
• 1 site
• 2 essais
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L’ALLÈGEMENT DU PAPIER D’IMPRESSION
0 1 2 3 4 5 6
Proportion de FC (%)
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Ré
du
ctio
n d
u p
oid
s d
e b
ase
(%)
1% FC = -7% g/m2
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LE RENFORCEMENT DE PAPIERS À USAGES
DOMESTIQUES ET INSTITUTIONNELS
• Mise au point de sortes de papier grâce :
• à la composition de fabrication
• à l’allègement
• à l’optimisation du raffinage
• aux propriétés uniques
24
0 % 100 %
100 %
Bois de feuillus
Bois de résineux
100 %
Recyclé
FC
0 %
0 %
0 % 5 %
-
25
L’UTILISATION DE FC DANS DES PAPIERS À
USAGES DOMESTIQUES ET INSTITUTIONNELS
250
300
350
400
450
500
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00
Te
nsil
e S
tren
gth
Running time
No CF
0.5% CF
1.5% CF
3.0% CF75 % Kraft de feuillus /
25 % Kraft de résineux
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PELLICULE DE FC PURE REDISPERSIBLE
• Produite sur une machine
à papier
• 15 à 30 g/m2
• Totalement dispersible
• Aucun additif
• Brevet en instance
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PAPIER COUCHÉ
À BOUFFANT ET OPACITÉ ÉLEVÉS
• Client exigeant un papier couché très opaque et plus
bouffant
• Objectif:
• Produire un papier de 44.4 g/m2 avec un Bouffant
équivalent à un papier de 47.4 g/m2 et ayant
l’Opacité équivalente à un papier de 56.2 g/m2
• Avec l’utilisation de FC nous avons pu ajuster la
composition de la recette du fourni de pâte et les
conditions d’opération pour atteindre pleinement
l’objectif.
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APPLICATIONS DANS DES SECTEURS
NON-TRADITIONNELS
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APPLICATIONS NON TRADITIONNELLES
DES FC
• Les thermo durcis
• Les thermoplastiques
• Les panneaux pour les industries de la construction
et automobile
• Les emballages évolués
• Les produits novateurs
• Les enduits
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LES FC DANS DES APPLICATIONS DE
COMPOSITES
• Un traitement de surface a été développé
pour produire des FC secs mais pouvant
parfaitement être dispersés
• Nous avons réussi à introduire jusqu’à
40% de FC dans des matrices de
polymères variées
30
Air fresheners
(25% fragrance / 20% FC)
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COMPOSITES DE FC ET DE LLDPE
• Des composites contenant jusqu’à 40% FC / 60% de polyéthylène
ont été faits
• L’addition de FC a amélioré les propriétés mécaniques des
composites faits de FC et de LLDPE
31
300
500
700
900
1100
0% 10% 20% 30% 40%Yo
un
g's
mo
du
lus
[MP
a]
Teneur en FC [%]
30
35
40
45
50
55
60
0% 10% 20% 30% 40%
Ten
sile
str
ess
[MP
a]
Teneur en FC [%]
60
70
80
90
100
110
0% 10% 20% 30% 40%
E/S
[k
J/m
2]
Teneur en FC [%]
-
LLDPE - FC VS. LLDPE – FIBRES DE VERRE
• Les composites de FC ont une densité inférieure à ceux faits
de fibres de verre à un niveau de force en flexion équivalente.
• Le corollaire à cette observation est qu’à densité égale le
composite fait de FC est plus fort que celui contenant des fibres
de verre.
32
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
0% 10% 20% 30% 40%
Den
sity
[g
/cm
3]
Teneur en FC [%]
LLDPE + Glass Fiber
LLDPE + CF
300
500
700
900
1100
1300
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4Y
ou
ng
's m
od
ulu
s [M
Pa
]
Densité [g/cm3]
LLDPE + CF
LLDPE + Glass Fiber
-
COMPOSITES LLDPE - FC
• Les composites contenant des FC absorbent peu d’eau
lorsqu’immergés pendant plusieurs heures.
• Le gel n’affecte pas les propriétés mécaniques.
33
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0% 10% 20% 30% 40%Y
ou
ng
's m
od
ulu
s [M
Pa
]Teneur en FC [%]
LLDPE + CF
Freezing for 24h
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100
Ab
sorp
tio
n d
’ea
u[%
]
Durée d’immersion [h]
LLDPE + GF (10,20,30,40%)LLDPE + 10% CFLLDPE + 20% CFLLDPE + 30%
CFLLDPE + 40% CF
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FILOCELL DANS LES ADHÉSIFS
• Les FC ont été testés avec
succès dans des adhésifs
liquides pour la fabrication de
cartons laminés
• Le standard de force STFI utilisé
dans l’industrie du cartonnage a
été amélioré de manière
significative.
34
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0%
CF
1.2
% C
F
MD
ST
FI
[kN
/m]
-
FILOCELL COMME AGENT RHÉOLOGIQUE
• Les solutions de FC sont
thixotropiques, i.e. que la
viscosité du liquide diminue au fur
et à mesure que des forces de
cisaillement lui sont appliquées.
• Les FC peuvent donc être utilisés
pour modifier la viscosité de
mélanges.
35
0,1
1
10
100
1000
0,01 0,1 1 10 100 1000
Vis
cosi
té [
Pa
∙s]
Taux de cisaillement [1/s]
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ADRIQ – PRIX « INNOVATION OUVERTE »
Pierre Lapointe, président et chef de la direction,
FPInnovations; Martin Fréchette, surintendant, Entretien
mécanique, usine de Trois-Rivières, Kruger; Daniel Archambault,
vice-président de direction et chef de
l’Exploitation, division des Produits industriels, Kruger;
Chantal Chamberland, directrice générale, Affaires
corporatives et communications, Kruger; Mathieu Harvey,
coordonnateur financier, Kruger Biomatériaux;
Michelle Ricard, gestionnaire de recherche, Biomatériaux
cellulosiques – Surveillance et contrôle,
FPInnovations; Yves Nadon, chef de la direction financière,
FPInnovations; et Jean Hamel, vice-président,
Pâtes, papiers et bioproduits, FPInnovations.
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CONCLUSIONS
• Les filaments de cellulose FiloCell constituent un biomatériau
unique de haute qualité.
• L’usine pré-commerciale de 5T/j est la plus grande
installation dans le monde de nano-cellulose.
• Une équipe dédié de chercheurs et d’ingénieurs de
FPInnovations, d’universités et de Kruger y travaillent.
• Les applications en développement vont bon train.
• Nous sommes en affaires depuis plus d’un an et ca continue
!
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REMERCIEMENTS !
• FPInnovations
• Gouvernement du Canada
• Natural Resources Canada (NRCAN)
• Investments in Forest Industry Transformation (IFIT)
• Gouvernement du Québec
• Investissement Québec (IQ)
• Ministère des forêts, de la faune et des parcs (MFFP)
• Gouvernement de Colombie Britannique
• Ministry of Forests, Lands and Natural Resource Operations
• Kruger Inc.
38
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3285, chemin Bedford, Montréal (Québec) H3S 1G5
Tél. : [email protected]
[email protected]
www.filocell.com
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Richard Drolet. ing.Directeur général, Kruger
Biomatériaux inc.
CONTACTS
Balázs Tolnai, Ph.D.Directeur général, Technologie
mailto:[email protected]:[email protected]://www.filocell.com/
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WWW.FILOCELL.COM
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