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FR2877955A1 - Produit de renforcement aere et procede pour sa realisation - Google Patents

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Abstract

Le produit de renforcement, utilisé pour la réalisation de matériaux composites, est une nappe contenant des premiers tronçons de filaments (1a) en un premier type de matière synthétique, orientés, ayant reçu préalablement à leur mise sous forme de nappe un traitement leur communiquant une frisure permanente, des seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique, ainsi que des tronçons de filaments de fibres de renfort (20a). Les seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique ont une température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments (1a) en un premier type de matière synthétique. Les tronçons de filaments adhèrent partiellement les uns aux autres par les seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique.

Description

La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux armatures
textiles utilisées pour la réalisation de matériaux composites, c'est-àdire d'articles à base de résine (polyester ou autre) armés d'une nappe textile de
renforcement.
A ce jour, en fonction des applications et des caractéristiques recherchées, les structures de renforcement utilisées dans le domaine des composites sont par exemple des tissus, des grilles textiles, des non tissés, ou des combinaisons de tels éléments.
Une caractéristique nécessaire de ces armatures textiles, lorsque l'on souhaite réaliser des éléments tels que carrosseries de véhicules, bateaux de plaisance, citernes, est de conférer aux matériaux composites une grande rigidité grâce notamment à leur forte épaisseur.
Ainsi, le brevet français FR 2 646 442 décrit une armature textile constituée par au moins deux couches de renfort textile proprement dites, disposées de part et d'autre d'une couche centrale donnant l'épaisseur audit matériau, et se caractérisant par le fait que ladite couche centrale est une nappe réalisée par cardage de fibres synthétiques, par exemple en polyester, de titre unitaire élevé, et qui ont reçu préalablement à leur mise sous forme de nappe un traitement leur communiquant une ondulation ou frisure permanente, les différentes couches étant liées entre elles par couture/tricotage.
Cependant, l'un des inconvénients du produit obtenu réside dans le fait que les coutures de liaison des différentes couches entre elles limitent la réalisation de structures de forme complexe obtenues par moulage, par exemple selon les techniques dites par "moulage à la presse avec injection" ou "moulage sous vide". En effet, les coutures de liaison des différentes couches entre elles introduisent des irrégularités dans les capacités de déformation, limitent les capacités de déformation de l'armature textile avant moulage, et peuvent conduire à des défauts d'aspect de surface du matériau composite après moulage.
Pour remédier à ces risques de défauts d'aspect de surface, le brevet EP 0 659 922 propose une amélioration consistant à recouvrir au moins une des couches de renfort textile d'un voile fibreux à base de fibres chimiques, et à assurer la cohésion des différentes couches par aiguilletage.
Le document EP 0 694 643 propose d'améliorer l'état de surface du matériau composite comportant une armature telle que celle décrite dans le brevet FR 2 646 442, et propose en outre d'adapter certaines caractéristiques techniques telles que la stabilité dimensionnelle du produit ou encore la possibilité de déformation, en fonction des applications dans lesquelles rentre un tel matériau. Pour ce faire, à l'armature textile faisant l'objet du brevet FR 2 646 442, est ajouté au moins contre l'une des faces externes du complexe, un voile de fibre synthétique, la liaison du voile étant réalisée soit par collage à l'extérieur de l'armature textile, soit par l'intermédiaire des coutures liant les différentes couches de l'armature textile entre elles.
Le caractère multicouche des armatures ci-dessus, ainsi que les irrégularités de leur capacité de déformation avant moulage, sont des inconvénients substantiels. En effet, le fait que l'armature possède plusieurs couches oblige à prévoir des moyens adaptés pour assurer la cohésion entre elles des différentes couches. Et quels que soient ces moyens de liaison, ils conduisent toujours à limiter et/ou perturber les capacités de déformation de l'armature, la rendant ainsi mal adaptée à une utilisation dans des techniques par moulage à la presse avec injection ou encore par moulage sous vide, puisque conduisant à des défauts du matériau composite après moulage.
En outre, la couche intermédiaire des armatures ci-dessus est dépourvue de fibres d'armature, de sorte que la résine n'est pas armée dans cette couche intermédiaire, et constitue une zone à plus faible résistance mécanique et susceptible de contenir des bulles, de se fissurer.
Le problème proposé par la présente invention est d'obtenir une armature textile ayant une épaisseur suffisante et conférant au matériau composite des propriétés de rigidité satisfaisantes après moulage, ayant une capacité de déformation par flexion régulière, ayant une grande souplesse pour être déformée et placée efficacement dans un moule avant injection, et ayant une cohérence satisfaisante pour des manipulations nécessaires avant moulage.
L'invention vise en outre à concevoir une telle armature qui puisse être fabriquée de manière économique par des processus industriels.
Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention propose un produit de renforcement aéré utilisable pour la réalisation de matériaux composites, comportant une nappe à base de premiers tronçons de filaments en un premier type de matière synthétique, orientés, ayant reçu préalablement à leur mise sous forme de nappe un traitement leur communiquant une frisure permanente; selon l'invention: - ladite nappe comporte en outre au moins des seconds tronçons de filaments en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique, orientés, ayant une température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments en un premier type de matière synthétique, - ladite nappe comporte en outre des tronçons de filaments de fibres de renfort, - les tronçons de filaments adhèrent partiellement les uns aux autres par les seconds tronçons de filaments en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique.
Ainsi, le produit de renforcement est constitué sensiblement de façon homogène en une seule couche, et présente une cohésion interne ne nécessitant pas de procédés annexes, d'aiguilletage, de collage par une matière ajoutée, ou encore de couture/tricotage.
Certains au moins des premiers tronçons de filaments à frisure permanente au sein du produit de renforcement peuvent avantageusement présenter un état de compression partielle leur conférant une déformation ou précontrainte élastique.
Les premiers tronçons de filaments à frisure permanente peuvent avantageusement présenter une masse linéique de 1 à 5 dTex.
La matière des seconds tronçons de filaments en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique peut être choisie dans le groupe comprenant le polyester, les polyoléfines, les polyamides, les polyacrylonitriles, le polyéthylène, le polyéthylène téréphtalate, le polybutylène téréphtalate.
Selon un mode de réalisation avantageux, les tronçons de filaments de fibres de renfort peuvent comprendre des tronçons de filaments de verre.
En alternative ou en complément, les tronçons de filaments de fibres de renfort peuvent comprendre des tronçons de filaments naturels tels que le lin, le chanvre, le sisal, la jute, ou encore la laine.
II peut être avantageux d'introduire dans le mélange des tronçons de filaments de fibres mixtes qui tiennent lieu à la fois de tronçons de filaments de fibres de renfort et de seconds tronçons de filaments d'un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique. Les tronçons de filaments de fibres mixtes proviennent de fils mixtes comêlés composés de filaments de verre et de filaments d'une matière thermoplastique organique ayant une température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments en premier type de matière synthétique. Cela diminue le nombre de fibres qu'il faut assembler dans le mélange à la base du produit, et cela en simplifie donc l'élaboration.
Dans une réalisation avantageuse, au moins une couche externe de renforcement peut être apposée sur l'une au moins des faces du produit de renforcement.
Par exemple, la couche externe de renforcement peut être une nappe de fils continus et parallèles.
II est aussi envisageable que la couche externe de renforcement soit une grille à fibres orientées selon au moins deux directions.
Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de réalisation d'un produit de renforcement tel que défini ci-dessus; le procédé comprend les étapes 5 suivantes: a) préparer un mélange homogène de premiers tronçons de filaments en un premier type de matière synthétique, de seconds tronçons de filaments en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique et à température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments en un premier type de matière synthétique, et de tronçons de filaments de fibres de renfort, b) traiter ce mélange de tronçons de filaments dans une carde pour produire une orientation des tronçons de filaments et former ainsi une nappe orientée, c) chauffer la nappe orientée obtenue afin de rendre adhésifs les seconds tronçons de filaments en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique à plus faible température de fusion, d) refroidir la nappe.
De préférence, le procédé peut comprendre une étape intermédiaire de compression des constituants par réduction de l'épaisseur de la nappe et maintien de cette réduction d'épaisseur, pendant ou à la suite de l'étape c) d'échauffement, et ce jusqu'à l'étape d) de refroidissement. On favorise ainsi, par cette compression partielle, le rapprochement des tronçons de filaments les uns contre les autres, et donc l'adhésion des tronçons de filaments les uns aux autres.
On peut éventuellement, entre les étapes b) de cardage et c) d'échauffement, prévoir une étape intermédiaire au cours de laquelle est appliquée au moins une couche externe de renforcement sur au moins une des faces de la nappe.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant une structure de produit de renforcement selon un premier mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation d'installation de fabrication du produit de renforcement selon la figure 1; - la figure 3 est une vue de côté en coupe illustrant partiellement l'installation de fabrication de produit de renforcement selon le mode de réalisation de la figure 2; - la figure 4 est une vue de côté en coupe illustrant partiellement l'installation de fabrication lors de la fabrication du produit de renforcement selon la figure 5; et - la figure 5 est une vue schématique en perspective illustrant une structure de produit de renforcement selon un second mode de réalisation de la présente invention.
On se réfère tout d'abord à la figure 2, qui illustre schématiquement une installation de fabrication d'un produit de renforcement selon un mode de réalisation de la présente invention.
Cette installation comprend tout d'abord une réserve 1 de premiers tronçons de filaments la en un premier type de matière synthétique, ainsi qu'une réserve 2 de seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique ayant une température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments 1 a en premier type de matière synthétique. L'installation comporte en outre une réserve 20 de tronçons de filaments de fibres de renfort 20a.
Les premiers tronçons de filaments la en premier type de matière synthétique ont reçu un traitement préalable leur communiquant une frisure permanente. La masse linéique de ces premiers tronçons de filaments la peut avantageusement être comprise entre 1 et 5 dTex.
Les trois réserves 1, 2 et 20 de tronçons de filaments alimentent ensuite de manière appropriée une carde 3.
On peut utiliser une carde 3 mécanique telle que celles qui sont traditionnellement utilisées dans l'industrie textile, comprenant un cylindre rotatif équipé de dents ou aiguilles qui tournent face à des travailleurs pour entraîner les tronçons de filaments en les peignant, produisant ainsi en sortie une nappe 4 continue dans laquelle les tronçons de filaments la, 2a et 20a sont préférentiellement orientés dans le sens longitudinal 11 de défilement de la nappe 4.
En alternative, on peut utiliser une carde pneumatique, générant un flux d'air qui oriente les tronçons de filaments en les peignant.
Dans la réalisation de la figure 2, la nappe 4 est ensuite chauffée par un dispositif de chauffage 6. La température de chauffage est suffisante pour donner des propriétés adhésives aux seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique contenus dans la nappe 4 de fibres. La température est avantageusement choisie seulement légèrement inférieure à la température de fusion des seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique, dont la température de fusion est moins élevée que celle des premiers tronçons de filaments la en premier type de matière synthétique. Par exemple, pour le polyéthylène, on choisira une température d'environ 120 C-140 C.
En sortie du dispositif de chauffage 6, on recueille une nappe cohérente 5 dont la cohésion interne est assurée par l'adhésion des seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique.
On peut ensuite laisser les constituants de la nappe cohérente 5 se refroidir à l'air ambiant.
De préférence, en aval du dispositif de chauffage 6, on prévoit un dispositif refroidisseur 7 permettant de refroidir les constituants et figer les seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique, figeant par la même occasion les caractéristiques dimensionnelles de l'armature textile finie 8.
Les températures de fusion des premiers tronçons de filaments 1 a en un premier type de matière synthétique et des tronçons de filaments de fibres de renfort 20a étant plus élevées que celle des seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique, les premiers tronçons de filaments la en un premier type de matière synthétique et les tronçons de filaments de fibres de renfort 20a ne subissent aucune transformation lors du chauffage de la nappe 4 à une température légèrement inférieure à la température de fusion des seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique.
Ainsi, les premiers tronçons de filaments la en un premier type de matière synthétique conservent toutes leurs propriétés (de forme, d'élasticité,...) et confèrent à la nappe cohérente 5 une structure aérée et élastique, résultant de leur frisure permanente. Les tronçons de filaments de fibres de renfort conservent aussi toutes leurs propriétés (de forme, de résistance, ...) et confèrent à la nappe cohérente 5 une certaine endurance.
Cette structure élastique est avantageuse dans un procédé de moulage où de grandes capacités de déformation sont exigées du produit de renforcement. En outre, la structure aérée de l'armature textile permet une répartition plus facile et plus homogène d'une résine injectée par exemple lors du moulage de l'armature textile finie 8 pour l'obtention d'un composite renforcé.
Par ce procédé, on obtient aussi une armature textile ayant une épaisseur suffisante et une répartition appropriée de fibres de renfort pour conférer au matériau composite des propriétés de rigidité satisfaisantes après moulage.
L'armature textile a une capacité de déformation par flexion régulière, une grande souplesse pour être déformée et placée efficacement dans un moule avant injection, et possède une cohérence satisfaisante pour les manipulations nécessaires avant moulage.
On pourra se référer à la figure 1, qui illustre en perspective à plus grande échelle la structure de l'armature textile finie 8, formée de tronçons de filaments la, 2a et 20a cardés, orientés préférentiellement dans le sens longitudinal 11.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, la matière des seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique est choisie dans le groupe comprenant le polyester, les polyoléfines, les polyamides, les polyacrylonitriles, le polyéthylène, le polyéthylène téréphtalate, ou encore le polybutylène téréphtalate.
Dans ce même mode de réalisation illustré sur la figure 2, on peut en outre prévoir que les tronçons de filaments de fibres de renfort 20a comprennent des tronçons de filaments de verre.
II peut être avantageux de prévoir que les tronçons de filaments de fibres de renfort 20a comprennent des tronçons de filaments naturels tels que le lin, le chanvre, le sisal, la jute, ou encore la laine, en complément ou à la place des tronçons de filaments de verre.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, on prévoit des moyens de compression 9a et 9b situés après le dispositif de chauffage 6 et situés juste avant le dispositif refroidisseur 7. Ainsi, la nappe 4 issue de la carde 3 est chauffée, puis subit par des moyens presseurs 9a et 9b une compression partielle des constituants par réduction de l'épaisseur de la nappe, suivie d'un refroidissement. Le pressage des constituants une fois chauffés au sein de la nappe 4 permet une meilleure adhésion des tronçons de filaments la, 2a et 20a les uns aux autres, tout en conservant un caractère aéré ou poreux.
Les tronçons de filaments la, 2a et 20a peuvent ainsi présenter un état de compression partielle provenant de la réduction d'épaisseur de la nappe 4 par les moyens presseurs 9a et 9b. La compression partielle des tronçons de filaments la à frisure permanente leur confère une déformation élastique ou précontrainte élastique dont l'existence peut être constatée dans le produit de renforcement fini.
Sur la figure 4 est illustrée schématiquement une variante du mode de réalisation de la figure 3, selon laquelle sur la face supérieure de la nappe 4 est appliquée une couche externe de renforcement 10 qui est ensuite rendue adhérente à la nappe 4 par le chauffage et la compression.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, la couche externe de renforcement 10 peut avantageusement être une nappe de fils continus et parallèles.
En alternative, la couche externe de renforcement 10 peut être une grille à fibres orientées selon au moins deux directions.
On pourra se référer à la figure 5, qui illustre en perspective à plus grande échelle la structure de l'armature textile finie 8, formée de tronçons de filaments la, 2a et 20a cardés, orientés préférentiellement dans le sens longitudinal 11, et comportant sur sa face supérieure la couche externe de renforcement 10.
Dans les modes de réalisation illustré sur les figures 3 et 4, les moyens presseurs 9a et 9b assurent une compression des constituants par réduction de l'épaisseur de la nappe 4 et le maintien de cette réduction d'épaisseur jusqu'au dispositif refroidisseur 7. Dans le cadre plus particulier du mode de réalisation illustré sur la figure 4, les moyens presseurs 9a et 9b assurent aussi le plaquage de la couche externe de renforcement 10 contre la nappe 4. Ils peuvent aussi être chauffants pour assurer l'échauffement de l'ensemble jusqu'à une température assurant un ramollissement suffisant et une adhésion des seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique contenus dans les fibres composites constituant la nappe 4. En alternative, l'échauffement peut être assuré par des sources chaudes telles que des sources de rayonnement infrarouge en amont des rouleaux, et les rouleaux 9a et 9b compriment les constituants sans les chauffer.
En sortie du dispositif refroidisseur 7, par l'effet du ramollissement suffisant des seconds tronçons de filaments 2a en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique, puis par l'effet du refroidissement qui les fige, la couche externe de renforcement 10 adhère sur la nappe cohérente 5, et les tronçons de filaments la, 2a et 20a adhèrent également les uns aux autres.
Dans les produits et procédés décrits ci-dessus, il peut être avantageux d'introduire dans le mélange des tronçons de filaments de fibres mixtes qui tiennent lieu à la fois de tronçons de filaments de fibres de renfort 20a et de seconds tronçons de filaments 2a d'un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique. Les tronçons de fibres mixtes proviennent de fils mixtes co-mêlés composés de filaments de verre et de filaments d'une autre matière thermoplastique organique ayant une température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments 1 a en un premier type de matière synthétique.
Dans ce cas, la carde 3 se trouve être alimentée par seulement deux réserves de tronçons de fils.
Le produit de renforcement ainsi obtenu est suffisamment homogène et cohérent pour permettre de maîtriser ses manipulations et ses déformations lors d'une utilisation dans des techniques par moulage à la presse avec injection ou encore par moulage sous vide, et pour éviter les défauts du matériau composite après moulage.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et 10 généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1 Produit de renforcement aéré utilisable pour la réalisation de matériaux composites, comportant une nappe (4) à base de premiers tronçons de filaments (la) en un premier type de matière synthétique, orientés, ayant reçu préalablement à leur mise sous forme de nappe un traitement leur communiquant une frisure permanente, caractérisé en ce que: - ladite nappe comporte en outre au moins des seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique, orientés, ayant une température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments (1a) en un premier type de matière synthétique, ladite nappe comporte en outre des tronçons de filaments de fibres de renfort (20a), - les tronçons de filaments (1a, 2a, 20a) adhèrent partiellement les uns aux autres par les seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique.
2 Produit de renforcement selon la revendication 1, caractérisé en ce que certains au moins des premiers tronçons de filaments (la) à frisure permanente présentent un état de compression partielle leur conférant une déformation ou précontrainte élastique.
3 Produit de renforcement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière des seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique est choisie dans le groupe comprenant le polyester, les polyoléfines, les polyamides, les polyacrylonitriles, le polyéthylène, le polyéthylène téréphtalate, le polybutylène téréphtalate.
4 Produit de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les tronçons de filaments de fibres de renfort (20a) comprennent des tronçons de filaments de verre.
Produit de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tronçons de filaments de fibres de renfort (20a) comprennent des tronçons de filaments naturels tels que le lin, le chanvre, le sisal, la jute, la laine.
6 Produit de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des tronçons de filaments de fibres mixtes provenant de fils mixtes co-mêlés composés de filaments de verre et de filaments d'une matière thermoplastique organique ayant une température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments en un premier type de matière thermoplastique.
7 Produit de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que sur l'une au moins de ses faces est apposée au moins une couche externe de renforcement (10).
8 Produit de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche externe de renforcement (10) est une nappe de fils continus et parallèles.
9 Produit de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche externe de renforcement (10) est une grille à fibres orientées selon au moins deux directions.
Procédé de réalisation d'un produit de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on prépare un mélange homogène de premiers tronçons de filaments (la) en un premier type de matière synthétique, de seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière'synthétique à caractère thermoplastique et à température de fusion inférieure à celle des premiers tronçons de filaments (la) en un premier type de matière synthétique, et de tronçons de filaments de fibres de renfort (20a), b) on traite ce mélange de tronçons de filaments dans une carde (3) pour produire une orientation des tronçons de filaments et former ainsi une nappe (4) orientée, c) on chauffe la nappe (4) orientée obtenue afin de rendre adhésifs les seconds tronçons de filaments (2a) en un second type de matière synthétique à caractère thermoplastique à plus faible température de fusion, d) on refroidit la nappe (4).
11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte, pendant ou à la suite de l'étape c) d'échauffement, une compression des constituants par réduction de l'épaisseur de la nappe (4) et un maintien de cette réduction d'épaisseur jusqu'à l'étape d) de refroidissement.
12 Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que, entre les étapes b) de cardage et c) d'échauffement, est intégrée une étape d'application d'au moins une couche externe de renforcement (10) sur au moins une des faces de la nappe (4).
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