CH640572A5 - Fibre composite et article forme de la dite fibre. - Google Patents

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Description

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2
REVENDICATIONS
1. Fibre composite caractérisée en ce qu'elle comprend une résine, plusieurs fibres de verre et au moins une fibre de carbone.
2. Fibre composite selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite résine consiste en un polyester thermodurcissable.
3. Fibre composite selon la revendication 1, caractérisée par le fait que, pour ce qui est des fibres de verre et de carbone, elles se répartissent entre 35 et 98% du poids en ce qui concerne le verre, et entre 65 et 2% du poids en ce qui concerne le carbone.
4. Fibre composite selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la quantité de ladite résine varie entre 20 et 45% du poids de ladite fibre composite.
5. Fibre composite selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite résine est choisie dans le groupe formé du polyéthy-lène, du polypropylène, des polyamides, des polyuréthanes, des polyesters, des époxydes et des mélanges de ceux-ci.
6. Fibre composite selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite fibre est imprégnée d'une résine consistant en du polyester épaissi et non durci.
7. Fibre composite selon la revendication 1, imprégnée d'une résine durcie au stade B.
8. Fibre selon la revendication 1, enroulée sur une bobine.
9. Fibre selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les volumes respectifs des fibres de carbone et de verre qui constituent la fibre composite varient entre 50 et 5% pour ce qui est du carbone, et entre 5 et 50% en ce qui concerne le verre.
10. Article formé de la fibre composite selon la revendication 1, enroulée hélicoïdalement et comprimée.
11. Article selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ladite fibre composite est enroulée suivant un angle d'ouverture de 85,4" environ.
12. Article selon la revendication 10, caractérisé par la présence de trois couches de fibres enroulées hélicoïdalement.
13. Article selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ladite résine consiste en un polyester thermodurcissable.
14. Article composite selon la revendication 10, caractérisé par le fait que, pour ce qui est des fibres de verre et de carbone composant ladite fibre composite, elles se répartissent entre 35 et 98% du poids en ce qui concerne le verre, et entre 65 et 2% du poids en ce qui concerne le carbone.
15. Article composite selon la revendication 10, caractérisé par le fait que lesdites fibres sont imprégnées avec une résine consistant en du polyester épaissi et non durci.
16. Article composite selon la revendication 10, imprégné avec une résine durcie au stade B.
17. Article selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la fibre est enroulée sur des bobines.
18. Article selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les volumes des fibres de verre et de carbone qui constituent ledit article varient respectivement entre 50 et 5% en ce qui concerne le carbone et entre 5 et 50% en ce qui concerne le verre.
19. Article selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la quantité de ladite résine varie entre 20 et 45% du poids dudit article.
20. Article selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ladite résine est choisie dans le groupe formé du polyéthylène, du polypropylène, des polyamides, des polyuréthanes, des polyesters, des époxydes et des mélanges de ceux-ci.
Récemment, la demande pour des structures en plastique s'est accrue rapidement. Des feuilles de résine renforcées unidirectionnel-lement ont été transformées en parties structurales pour les automobiles comme, par exemple, les supports de transmission, les poutres de porte et d'autres pièces semblables.
Ces feuilles renforcées contiennent des fibres de verre qui ont été enroulées hélicoïdalement sur un mandrin selon un dessin croisé et dont le poids en verre varie entre 60 et 80%. Alors que les feuilles renforcées qui contiennent une grande proportion de verre produisent des pièces présentant une excellente résistance, on désire souvent obtenir des meilleures caractéristiques de module que cela est réalisé habituellement.
Les fibres de carbone contenues dans les pièces moulées fournissent de bonnes caractéristiques de module à celles-ci. On a donc utilisé des mélanges de fibres de carbone et de verre dans des résines, de façon à bénéficier des qualités respectives de résistance et de module que celles-ci fournissent à la matrice de résine. On a rencontré de nombreuses difficultés lors des tentatives d'enrouler les fibres de verre et de carbone pour fabriquer des feuilles renforcées. Fréquemment les fibres de carbone se brisent dans le bain de résine ou sur la filière. Il semble que cela soit dû à des tensions de viscosité qui s'exercent sur le fil lors de son passage dans le bain et qui provoquent l'effilochement du fil et finalement sa rupture.
On a maintenant développé une fibre composite comprenant au moins une fibre de carbone avec de la résine et des fibres de verre. Cette nouvelle fibre composite est utilisable pour la fabrication de feuilles de résines renforcées en même temps par des fibres de verre et de carbone.
D'après le procédé révélé par cette description, de nouvelles fibres de verre et de carbone sont enroulées sur un mandrin pour fabriquer des feuilles de résine. Dans le procédé de préparation de ces feuilles, on fait passer dans un bain des fibres de verre provenant d'une réserve, où elles sont complètement mouillées. On fait ensuite passer les fibres de verre à travers une filière qui ajuste la quantité de résine qui doit être incluse dans les fibres de verre. La fibre de carbone qui sert à fabriquer le matériau composite est introduite directement au dos de la filière utilisée pour ajuster le contenu en résine de la fibre de verre et on la met en contact avec la résine au point où celle-ci reflue de la filière. En introduisant la fibre de carbone à ce point, on élimine l'effilochement de la fibre, on mouille bien la fibre et cela permet à celle-ci de s'enrouler facilement sur le mandrin sans risque de rupture comme cela est le cas lors du passage dans le bain de résine. La fibre composite ainsi obtenue se compose de résine, d'une multitude de fibres de verre et d'au moins une fibre de carbone.
Lors de la préparation de feuilles de résine renforcées par du verre + carbone qui présentent de bonnes caractéristiques structurales et qui contiennent entre 55 et 80% de verre 4- carbone et de 45 à 20% de résine en poids, on recouvre d'abord les fibres de verre et de carbone avec une résine puis on les enroule sur un mandrin. Lors de la description suivante du procédé, donnée à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés:
la fig. 1 est une planche en perspective de l'équipement utilisé pour fabriquer les feuilles de résine + verre + carbone d'après cette invention;
la fig. 2 est une vue agrandie en perspective de la partie concernant l'application de la résine lors du procédé décrit par la fig. 1, et la fig. 3 est une vue regardant dans le bac d'application de la résine 9 qui montre la filière 13 et le point d'entrée de la fibre de carbone.
Dans la préparation du matériau composite résine + verre + carbone, on utilise une multitude de fibres de verre. Comme montré dans la fig. 1 à titre d'illustration, on utilise six rouleaux de fibres de verre seulement 2. Ces rouleaux 2 sont montés sur un support ou porte-bobine, non représenté, et les fibres de verre 1 provenant des rouleaux sont enroulées en un fil à travers les ouvertures 4 et 5 situées dans la paroi 3 qui est habituellement une plaque métallique. Dans la fig. 1, des rouleaux de verre de la rangée supérieure ont l'extrémité dp leur fil passée à travers l'ouverture 5, et ceux de la rangée inférieure ont l'extrémité de leur fil 1 passée à travers l'ouverture 4. Les fils combinés physiquement forment deux rubans de verre l'qui passent sous les barres de guidage 11 et 15 dans le bac de résine 9. Ces fils 1 et 1' sont conduits à travers les filières 12 et 13 situées à
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l'extrémité avant du bac 9. Deux rouleaux 18 et 18' contenant les fibres de carbone 8 et 8' sont montés au sommet de la paroi 3. Les fibres de carbone 8 et 8' sont introduites dans les trous de filière 12 et 13 respectivement en passant à travers le reflux de résine 14 qui s'accumule lorsque la filière élimine le surplus de résine de la surface des fils de verre 1 et 1'. Les fibres consolidées en verre + carbone 19 et 19' qui sortent des trous de filière 12 et 13 forment une bande renforcée 17 par passage dans l'ouverture 22 située sur un guide mobile 21, et on enroule ce ruban sur un mandrin tournant 15 jusqu'à l'obtention de l'épaisseur désirée. Lorsque le matériau composite a atteint l'épaisseur désirée, on arrête le mandrin 15, on coupe la feuille résultante et on recommence le processus.
Le procédé décrit de façon générale dans le dessin est sujet à de nombreuses modifications. Par exemple, si l'on montre un seul ruban 17 qui s'enroule sur le mandrin 15, ce n'est qu'à des fins d'illustration. On peut enrouler sur le mandrin plusieurs rubans simultanément qui proviennent d'une rangée d'ouverture. De manière similaire, on peut faire varier le nombre de brins utilisés pour faire la fibre de verre 1'. On peut donc utiliser un seul brin ou plusieurs brins pour former la fibre 1'. Habituellement on utilise entre 1 et 10 brins ou même plus pour composer la fibre 1'. La largeur du ruban 17 formant le produit final décide du nombre et du diamètre des fibres qui seront utilisées pour former le ruban. Par largeur, on entend l'épaisseur mesurée perpendiculairement à la direction du ruban.
Dans le procédé présenté sur le dessin, le mandrin 15 tourne sur un axe dans le sens des aiguilles d'une montre grâce à un moteur approprié. Le guide 21 fait un mouvement de va-et-vient dans le plan horizontal et dépose le ruban composite 17 sur le mandrin 15.
Le ruban 17 est déposé sur le mandrin 15 selon un angle d'ouverture prédéterminé de façon à fournir des propriétés de renforcement directionnelles au matériau terminé. L'angle d'ouverture est l'angle aigu formé par l'intersection du ruban 17 sur le corps du mandrin, avec une ligne située sur le mandrin qui est parallèle à l'axe longitudinal du mandrin. Dans les feuilles de structure fabriquées par ce procédé l'angle est compris entre 60 et 89°. L'angle d'enroulement du ruban 17 sur le mandrin est l'angle formé par l'intersection du ruban 17 sur le mandrin avec une ligne située sur le mandrin et qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal du mandrin. Normalement dans ce procédé, cet angle est compris entre 1 et 30°. Lors du déroulement normal des opérations, le mandrin 15 tourne en continu et le guide 21 fait un mouvement de va-et-vient dans le plan horizontal ce qui permet de déposer le ruban 17 sur le mandrin 15 selon un motif croisé pour former des couches de matériau composite à la surface du mandrin. Dans cette publication, on comprend qu'une couche est formée lorsque le ruban 17 a couvert le mandrin dans les deux directions. La feuille terminée contenant les fibres de verre et de carbone contiendra le nombre de couches prévues pour former un produit ayant la densité désirée. On ajoute constamment de la résine 10 dans le bac 9 de façon à ce qu'il y ait toujours suffisamment de résine pour mouiller complètement les fibres de verre 1 et l'qu'on fait passer sous les barres 11 et 15. Cela peut être réalisé par un appareil automatique d'alimentation ou manuellement. Le bac 9, suivant la largeur du mandrin 15, peut rester immobile ou on peut lui faire faire un mouvement de va-et-vient dans le plan horizontal qui soit coordonné avec le mouvement de la plaque 21. La fibre et les articles faits selon cette invention peuvent être façonnés à partir de n'importe quelle résine appropriée. Les résines thermoplastiques qui conviennent comprennent le polyéthylène, le polypropylène et les polystyrènes. Les résines thermodurcissables utilisées dans le système incluent habituellement les esters vinyliques, les résines époxydes à prise rapide et les résines polyesters à usages multiples. Les résines isophtaliques/polyesters se sont révélées être particulièrement efficaces dans la réalisation des matériaux composites de cette invention et on les choisira en premier lieu.
On peut choisir les résines époxydes se durcissant au stade B et les polyesters épaissis du fait qu'ils peuvent être entreposés après la séparation du mandrin, puis on les coupe et on les moule à une date ultérieure. Les polyesters typiques qui peuvent être employés dans cette invention appartiennent aux classes de résines qui sont présentées dans le brevet US N° 3840618. Un paramètre important de la préparation des matériaux composites est la régulation de la quantité de résine dans le produit fini. Dans ce procédé, on y parvient par l'ajustement de la dimension des trous de filière 12 et 13. On a remarqué qu'en général ces orifices doivent avoir un diamètre compris entre 0,36 et 2 mm.
Les fibres de carbone introduites dans le système peuvent être tirées directement depuis la paroi 3 ou à partir d'un porte-bobine situé près du bac 9. Le point d'entrée de la fibre de carbone dans le bac de résine est un paramètre important qui intervient dans le succès de former les rubans composites 19 et 19'. Le temps de résidence et la tension sur la fibre de carbone doivent être minimisés de façon à prévenir des dégâts ou une dégradation de la fibre. Donc il est important que la fibre soit introduite dans le système à ou près de l'entrée de la filière et, de préférence, à l'endroit central où la résine déborde de la filière. Cela prévient une tension excessive sur la fibre lorsque celle-ci passe dans la résine et cela permet à la fibre d'entrer dans le système sans subir une tension visqueuse excessive.
Les feuilles composites obtenues par ce procédé contiennent généralement entre 50 et 5% de fibre de carbone et entre 5 et 50% de fibre de verre, cela mesuré en volumes. Cependant on inclut dans cette invention un domaine d'environ 20 à 95% de verre et d'environ 80 à 5% de fibre de carbone, cela mesuré en volumes. Cela correspond à entre 35 et 98% du poids en ce qui concerne le verre et à entre 65 et 2% du poids en ce qui concerne le carbone. Les fibres "de verre et de carbone sont introduites dans le système et la fibre composite est enroulée sur le mandrin à des vitesses situées entre 15 et 150 m/min.
On verse de la résine sur les fibres composites et habituellement on place les feuilles formées entre deux couches de plastique clair comme du polyéthylène. Donc, en pratique, le mandrin est tout d'abord recouvert d'une couche de polyéthylène avant que l'on commence à enrouler la fibre composite. Lorsque l'on a atteint un nombre déterminé de couches, on arrête le mandrin et on recouvre la feuille de fibre composite avec une autre couche de polyéthylène, puis on sépare le tout du mandrin. En prenant en sandwich la feuille de matériau composite entre deux feuilles de polyéthylène, on peut facilement manier la feuille composite et on peut l'entreposer jusqu'à ce qu'on en ait besoin. En appliquant de la chaleur à la feuille composite durant son moulage, on obtient une pièce dure, solidifiée.
On obtient les fibres de carbone en traitant des fibres organiques par pyrolyse. Donc les fibres de carbone ont été obtenues par la pyrolyse de fils de précurseurs de la rayonne, de polyacrylonitriles et d'autres semblables. Plusieurs types de ces fils sont disponibles industriellement aujourd'hui et sont décrits dans la littérature («Modem Plastics Encyclopedia», 54,10A, p. 172, octobre 1977; «Advanced Materials», C.Z. Carroll-Porczynski, Chemical Publishing Co., N.Y. 1962; «Industriai Chemistry», 7th Ed. p. 342, Van Nostrand Reinhold Co., N.Y. 1974).
Une fibre particulièrement utile dans cette invention est une fibre appelée Celion " , manufacturée par Celanese Corporation. Dans une application typique du procédé décrit ici, on a confectionné une feuille de résine + verre + carbone en remplissant le bac à résine d'un mélange de 90 parties d'une résine isophtalique polyester, 10 parties de styrène monomère, de 0,5 partie de stéarate de zinc, de 1 partie de butylperbenzoate tertiaire et 3,5 parties d'oxyde de magnésium en tant qu'agent épaississant. Douze bobines de fibres de verre ont été montées sur un râtelier, chaque bobine contenant des fibres de verre de type K-37.
Ces fibres sont composées de 400 filaments de verre, chaque filament ayant un diamètre de 0,00127 cm. Trois rubans de verre sont alors formé à partir de quatre bobines et on les réunit avant le passage dans le bac de résine. Trois rubans au total passent dans le bac de résine à une vitesse de 30-60 m/min. On fournit continuellement de la résine dont la composition est décrite ci-dessus dans le bac pendant le passage.
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Les trois fils de verre qui passent dans le bac de résine sont tirés à travers trois filières de précision, chacune ayant un diamètre de 0,11 cm. On introduit trois fibres de carbone dans le système en les faisant passer séparément dans chaque filière où on a introduit les fibres de verre, cela du côté du bac de résine, de façon à ce que chaque fibre de carbone entrant dans la filière soit recouverte par l'excès de résine qui déborde de la filière du fait du passage de la fibre de verre. En passant à travers la filière, la fibre de carbone se mouille avec la résine contenue dans la filière et se combine physiquement avec le ruban de verre passant à travers la filière de façon à former trois rubans de verre + carbone consolidés. Ces trois rubans consolidés passent à travers trois œilletons situés sur un guide mobile placé au-dessus du mandrin. Les fibres sont enroulées côte à côte sur le mandrin selon un angle d'ouverture de 85,4° et un angle d'enroulement de 4,6°. Le guide mobile passe selon un mouvement de va-et-vient au-dessus du mandrin et on enroule les fibres jusqu'à la formation de trois couches sur le mandrin. On arrête alors le mandrin et on retire la feuille composite. Les feuilles terminées sont coupées selon des dimensions quelconques de façon à former des panneaux ultérieurement. Ces panneaux sont transformés ensuite en des parties structurales.
5 Alors que l'on a décrit cette invention par l'enroulement des fibres sur un mandrin, il est aussi possible d'utiliser ces fibres composites de résine, verre et carbone d'autres façons. La fibre serait enroulée sur une bobine pour un usage ultérieur. Les bobines pourraient être dévidées pour une utilisation en un autre lieu. Les io bobines pourraient aussi être utilisées dans le tissage de nappes renforcées ou alors dans le renforcement de certaines parties particulières. On pourrait aussi tresser les fibres en des câbles. D'autre part, les fibres pourraient être amenées directement du bain sur une courroie sous forme de boucles puis passées au laminoir.
15 Alors que cette invention a été décrite selon certains conditionnements, elle n'est pas limitée par ceux-ci sauf par ce qui est donné dans les revendications accompagnantes.
1 feuille dessins
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