EP0304361B1

EP0304361B1 - Procédé et dispositif pour l'étalement en continu de mèches de filaments

Info

Publication number: EP0304361B1
Application number: EP88401911A
Authority: EP
Inventors: Patrick Bourquin; René PAILLER; Olivier Remondiere
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1987-07-24
Filing date: 1988-07-22
Publication date: 1992-07-22
Anticipated expiration: 2008-07-22
Also published as: FR2618456A1; DE3872983T2; DE3872983D1; EP0304361A1; ATE78526T1; FR2618456B1

Description

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour l'étalement en continu de fibres composées de plusieurs filaments, applicables en particulier, mais non exclusivement, aux mèches de filaments fragiles.
Le terme "mèche de filaments" est utilisé dans la présente description pour évoquer des faisceaux d'éléments, tels que des fils de grande longueur. On signale que le terme "fibre" est néanmoins couramment employé, probablement à tort, dans différents domaines de l'industrie.
Les mèches de filaments de carbone, comme bien d'autres types de mèches de filaments longues (verre, carbure de silicium, alumine, ... ) présentent un grand intérêt comme renfort continu pour des matériaux composites à matrice organique ou métallique.
L'élaboration de tels matériaux peut se faire de plusieurs façons. Toutefois, dans la plupart des cas, se pose le problème de l'imprégnation à coeur de la mèche de filaments. En effet, un matériau composite de bonne qualité ne peut être réalisé que si chaque filament individuel constituant la mèche de filaments est lui-même enrobé d'une épaisseur adéquate du matériau constituant la matrice.
Dans le cas d'un matériau composite constitué d'une matrice organique renforcée par une armature de filaments, la réalisation du matériau passe par une phase d'imprégnation de la mèche de filaments par la matrice, phase considérablement améliorée si le renfort se présente sous forme d'un ruban de filaments étalés (en particulier si la matrice est une résine thermoplastique).
Par contre, lorsque la matrice est métallique, les procédés de réalisation peuvent se classer en trois catégories principales.
La première catégorie correspond aux procédés en phase solide qui sont généralement associés à une étape de compression à chaud. Les radeaux de filaments préalablement étalés sont alternativement empilés avec des feuillards métalliques ; la préforme ainsi formée subit ensuite une opération de densification (compression à chaud). On obtient alors un composite massif dont la qualité est directement liée à l'état d'étalement de la mèche de filaments.
La deuxième catégorie recouvre les procédés en phase liquide dans lesquels le mouillage de la mèche de filaments est obtenu grâce à des agents mouillants (par exemple MG₃N₂ pour une matrice en magnésium), ou à des traitements de surface des filaments (procédé au titane bore, aux alcalins, à la silice, ... ), ou encore à une forte pression d'infiltration.
La troisième catégorie enfin est celle des procédés de dépôt physique en phase vapeur (PVD). Dans ce cas, le bon recouvrement des filaments élémentaires nécessite à nouveau que la mèche de filaments soit étalée. En effet, si les filaments n'étaient pas suffisamment séparés les uns des autres, il se produirait un phénomène d'ombrage, c'est-à-dire que les filaments extérieurs seraient recouverts tandis que les filaments situés au centre de la mèche de filaments ne le seraient pas ou très peu. Ce manque d'homogénéité se retrouve lors du traitement ultérieur du matériau composite, notamment lors de la compression à chaud.
Ainsi apparaît-il clairement que, dans la plupart des cas (seule la voie liquide fait exception), la qualité et les performances des matériaux obtenus dépendent en grande partie de l'imprégnation de la mèche de filaments.
C'est pourquoi, depuis quelques années, de nombreuses recherches ont porté sur la mise au point des procédés d'étalement de mèches de filaments. L'article "Studies on Ion-Plating process for making carbon fiber reinforced aluminum and properties of the composites" (Masatoshi Yoshida et al. TOHO BESLON Co., Enigma of Eighties vol. 24 Bk2, 24th. National SAMPE Symposium and Exhibition, San Francisco, California, May 8-10, 1979) décrit un procédé d'étalement de mèches de filaments dans lequel l'étalement est obtenu en envoyant sur la mèche de filaments un flux d'air soumis à des vibrations. Si cette technique convient pour les fibres à moyen et haut modules, elle n'est pas utilisable avec des fibres à très haut module (c'est-à-dire supérieur à 350 GPa) ou pour des mèches de filaments constituées de filaments de diamètre important (c'est-à-dire de l'ordre de 10 à 40 µm). En effet, ces mèches de filaments sont très fragiles à cause de leur module élevé et/ou du fort diamètre des filaments et le flux d'air a tendance à casser les filaments. Ces diverses cassures peuvent même, à plus ou moins long terme, entraîner la rupture de la mèche de filaments, ce qui est bien entendu tout à fait néfaste pour une opération en continu.
D'autre part, on connaît par le document GB-A-1 177 078, un procédé et un dispositif d'étalement en continu d'une mèche de filaments, tels qu'énoncés respectivement dans les préambules des revendications 1 et 8. Par contre, comme le mentionne sa revendication 4, ce procédé entraîne de façon totale ou partielle un contact de la filasse avec un solide qui est constitué par des surfaces convexes, repérées 6 sur la figure de ce document. Ce contact est tout à fait rédhibitoire dans le cas de la mise en oeuvre d'un tel procédé avec des mèches de filaments fragiles.
La présente invention a pour but d'éliminer ces inconvénients en proposant un procédé et un dispositif d'étalement en continu de mèches de filaments qui permettent de séparer sans problème les filaments d'une mèche de filaments fragile, que cette fragilité provienne d'un module élastique très élevé ou d'un fort diamètre des filaments.
Le procédé objet de l'invention comporte les étapes suivantes consistant à :

(a) faire passer la mèche de filaments à l'intérieur d'une masse d'un premier liquide, et simultanément :
(b) projeter un flux d'un deuxième liquide sur la mèche de filaments en un point situé à l'intérieur de la masse du premier liquide.

Selon l'invention, le deuxième liquide est projeté sur la mèche de filaments avec une telle pression qu'elle entraîne elle-même une tension qui provoque la séparation des filaments, la mèche de filaments étant maintenue en tension entre un rouleau sur lequel passe la mèche de filaments en amont du point où est projeté le deuxième liquide et une bobine réceptrice en aval de ce point.

(c) enrouler la mèche de filaments après avoir été étalée sur une bobine réceptrice.

De préférence, on utilise le premier liquide lui-même en tant que deuxième liquide, le liquide projeté sur la mèche de filaments étant prélevé dans la masse même du premier liquide, réalisant ainsi un recyclage de celui-ci.
Le fait de projeter un liquide en un point de la mèche de filaments entraîne l'établissement d'une pression sur la mèche de filaments. Cette pression crée une tension sur la mèche de filaments qui réalise son étalement, et donc la séparation des filaments.
L'avantage qu'engendre l'utilisation d'un liquide à la place d'un gaz est le suivant : la pression exercée par le liquide sur la mèche de filaments peut être élevée, bien que sa vitesse d'écoulement soit faible. Par contre, dans le cas d'un gaz, une pression élevée est obligatoirement associée à une vitesse d'écoulement importante, à laquelle correspondent de fortes turbulences qui entraînent des chocs multiples et violents entre les différents filaments, ce qui occasionne finalement la rupture de la mèche de filaments.
L'utilisation d'un liquide permet de s'affranchir des problèmes créés par ces turbulences et de limiter, par un phénomène d'amortissement, la violence des chocs inter-filaments, tout en conservant un niveau suffisant de vibrations nécessaires à un bon étalement.
Quant au fait de projeter le premier liquide lui-même pour réaliser l'étalement de la mèche de filaments, ceci permet de diminuer l'encombrement de l'installation et de maintenir constante la masse du premier liquide contenu dans la cuve où se fait l'opération. On peut également filtrer le liquide ainsi recyclé et le maintenir à un degré de propreté suffisant afin de ne pas dégrader le système de circulation du liquide par des fibrilles qui risquent de se détacher de la mèche de filaments.
Selon une autre caractéristique du procédé objet de l'invention, le premier et/ou le deuxième liquide peut être de l'eau distillée, de l'hexane, de l'alcool, ... et doit être maintenu à une température constante afin d'éviter toute modification des paramètres aléatoires.
Eventuellement, le procédé comporte une étape supplémentaire, effectuée avant l'étape (a), consistant à désensimer la mèche de filaments, lorsque cette dernière est enrobée par un liant organique.
On peut en outre faire vibrer le premier liquide pour améliorer encore l'étalement, par exemple au moyen d'ultrasons. Enfin, dans le cas où la mèche de filaments est torsadée, on peut prévoir encore une étape supplémentaire, effectuée avant l'étape (a), consistant à soumettre la fibre à une opération de détorsion.
L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comprenant :

une cuve apte à contenir un premier liquide ;
des moyens pour faire passer la mèche de filaments à l'intérieur de ce premier liquide.

Selon l'invention, il comprend :

des moyens pour projeter un flux d'un deuxième liquide sur la mèche de filaments en un point situé à l'intérieur du premier liquide, ces moyens comprenant :
- une pompe ;
- une première conduite ayant une première extrémité située à l'intérieur du liquide contenu dans la cuve et une deuxième extrémité débouchant dans cette pompe ;
- une buse disposée à l'intérieur du premier liquide de manière à projeter du liquide sur la mèche de filaments audit point situé à l'intérieur du premier liquide ; et
- une deuxième conduite reliant la pompe à cette buse, la pompe aspirant le premier liquide à travers la première conduite et le refoulant à travers la deuxième conduite et la buse ;
des moyens pour maintenir la mèche de filaments en tension entre deux points situés de part et d'autre de celui où est projeté le flux du deuxième liquide, ces moyens comprenant :
- un rouleau sur lequel passe la mèche de filaments en amont du point où est projeté le deuxième liquide ; et
- une bobine réceptrice sur laquelle s'enroule la mèche de filaments étalée en aval de ce point.

Avantageusement, les moyens de projection peuvent comprendre en outre un filtre afin de filtrer le premier liquide circulant dans le circuit constitué par ces moyens de projection.
Si, dans le mode préféré de réalisation, on utilise un rouleau, c'est-à-dire un cylindre relativement allongé, pour soutenir la mèche de filaments en amont du point où l'on projette le deuxième liquide, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant tout système équivalent tel que galet, poulie, bobine, etc.
Le dispositif doit encore comporter un four de désensimage à travers lequel passe la mèche de filaments, lorsque celle-ci est revêtue d'un liant organique, avant de pénétrer dans la cuve contenant le premier liquide.
On peut également prévoir, pour améliorer l'étalement, un dispositif à ultrasons pour faire vibrer le liquide contenu dans la cuve. Enfin, si nécessaire, le dispositif peut comporter un système de détorsion de la mèche de filaments disposé en amont du point où est projeté le deuxième liquide.
L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 est une vue schématique en élévation et partiellement en coupe d'un dispositif conforme à l'invention ; et
la figure 2 est une vue de dessus de la cuve du dispositif illustré à la figure 1.

Si l'on se reporte aux dessins, on voit que le dispositif objet de l'invention, portant la référence générale 10, se compose d'abord d'une bobine 12 sur laquelle est enroulée la mèche de filaments que l'on veut étaler. Cette bobine est montée sur un support 14 et elle est entraînée en rotation dans le sens de la flèche F, c'est-à-dire le sens qui permet de dévider la mèche de filaments par un système d'entraînement 16. Celui-ci peut être quelconque, par exemple un système d'entraînement par chaîne ou courroie crantée comme représenté sur le dessin, mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant un système équivalent.
La mèche de filaments 18 passe ensuite sur un galet ou un rouleau 20 placé à l'extrémité supérieure d'un support 22, puis pénètre à l'intérieur d'un four de désensimage 24. Si la mèche de filaments est fortement torsadée, on peut la faire passer, avant son entrée dans le four, dans un système de détorsion 26.
La mèche de filaments pénètre ensuite à l'intérieur d'une cuve 30 contenant un liquide ou un solvant approprié 32. Celui-ci peut être, par exemple, de l'eau distillée, de l'hexane, de l'alcool, ... Dans l'exemple illustré ici, la mèche de filaments passe d'abord par dessus un premier rouleau 34 situé à la partie supérieure de la cuve, puis par dessous un deuxième rouleau 36 placé à un niveau inférieur à celui où se trouve le rouleau 34 et immergé totalement dans le liquide. Les rouleaux 34 et 36 se trouvent à une première extrémité de la cuve, tandis qu'une bobine réceptrice 38 se trouve à l'autre extrémité. La mèche de filaments 18, après avoir été étalée comme on le verra ci-dessous, s'enroule sur la bobine réceptrice 38 qui est entraînée dans le sens de la flèche G par un moteur 40. La bobine 38 et le moteur 40 peuvent être montés sur un support 42, l'entraînement de la bobine réceptrice 38 se faisant par un système à chaîne ou à courroie crantée, ou tout autre système équivalent. Eventuellement, on peut monter sur le support 42 une bobine 44 sur laquelle est enroulée une bande de papier d'aluminium, dans le cas où le solvant n'entraîne pas une réaction électrochimique entre cette dernière et la mèche de filaments, ou d'un film plastique dans les autres cas, ce film ne devant toutefois pas être dissous par le solvant employé. Cette bande sert à enrober la mèche de filaments qui, après étalement, s'enroule sur la bobine 38.
L'étalement de la mèche de filaments est réalisé au moyen d'une buse 48 placée dans la cuve 30, à l'intérieur de la masse liquide 32, et disposée de manière à projeter du liquide en un point de la mèche de filaments 18 situé à l'intérieur du liquide 32. De préférence, cette buse a une section rectangulaire (par exemple 50 mm x 1 mm) et sa longueur est orientée perpendiculairement à la mèche de filaments. Une pompe 50 placée à l'extérieur de la cuve aspire le liquide 32 au moyen d'une première conduite 52 et le refoule dans la buse 48 au moyen d'une deuxième conduite 54. Cette disposition permet de réduire l'encombrement de l'installation et de maintenir constante la quantité de liquide contenue dans la cuve 30 grâce à un recyclage de ce liquide. Eventuellement, on peut prévoir un filtre 56 afin de purifier le liquide ainsi recyclé et de retenir d'éventuelles fibrilles qui se détacheraient de la mèche de filaments.
Comme on peut le voir sur la figure 2, le fait de projeter du liquide (soit le liquide contenu dans la cuve, soit un autre) provoque une pression sur la mèche de filaments, cette pression entraînant elle-même une tension qui provoque la séparation des filaments 58. Ces derniers sont séparés les uns des autres lorsque la mèche de filaments s'enroule sur la bobine réceptrice 28.
L'ensemble est réalisé en acier inoxydable afin d'éviter les problèmes de corrosion.
On voit encore sur les figures que la cuve 30 peut être purgée au moyen d'un dispositif de purge 60 prévu à la partie inférieure de celle-ci.
On peut encore améliorer l'efficacité du dispositif en soumettant le liquide 32 à des mouvements de vibration, par exemple à l'aide d'un dispositif à ultrasons 61. Dans ce cas, la cuve 30 repose sur le sol au moyen de plots anti-vibrations 62.
On va maintenant décrire deux essais d'étalement de mèche de filaments qui ont été réalisés avec un dispositif selon l'art antérieur et avec le dispositif objet de l'invention.

Exemple 1 :

Dans cet exemple, on a réalisé un essai d'étalement d'une mèche de filaments de très haut module, c'est-à-dire un module de l'ordre de 700 GPa. La mèche de filaments utilisée était une fibre référence P100 commercialisée par la Société UNION CARBIDE. L'essai a été réalisé avec un dispositif utilisant le principe du flux gazeux, conformément à l'art antérieur mentionné au début de la présente description. On a constaté que non seulement la mèche de filaments n'est pas étalée, mais qu'en outre, l'opération entraîne une détérioration de la fibre, qui peut conduire à sa rupture.

Exemple 2 :

Une mèche de filaments identique à celle de l'exemple 1 a été étalée avec un dispositif conforme à l'invention. Le débit de liquide projeté sur la mèche de filaments était de l'ordre de 0,5 m³/h. On a obtenu un bon étalement et il n'est apparu aucune rupture de la mèche de filaments.
Ainsi, le procédé et le dispositif objets de l'invention présentent des avantages particulièrement intéressants puisqu'ils permettent d'étaler de manière sûre et efficace des mèches composées de filaments, qu'il s'agisse des mèches de filaments fragiles ou non. Ceci est obtenu par le fait qu'on projette un liquide en un point de la mèche de filaments déjà situé à l'intérieur d'une masse liquide. L'utilisation d'un liquide permet d'avoir une pression hydrostatique plus importante que celle exercée par un flux gazeux dans un montage dans l'air. La tension créée par cette pression est donc plus importante et la séparation des filaments est plus efficace. D'autre part, on diminue considérablement les risques de cassure des filaments car il y a amortissement des chocs entre filaments par le liquide, amortissement qu'il n'est pas possible d'obtenir dans l'air ou dans un flux gazeux. Grâce à l'invention, l'étalement est efficace et peut même se faire sur des épaisseurs moyennes très faibles, c'est-à-dire voisines de la monocouche.
D'autre part, le fait de projeter sur la mèche de filaments le liquide même contenu dans la cuve par recyclage de celui-ci permet de diminuer l'encombrement de l'installation et de maintenir constante la quantité de liquide contenue dans la cuve. La présence d'un filtre ou de tout autre moyen permettant l'élimination des fibrilles résultant de l'étalement sera conseillée afin de maintenir le liquide propre et d'éviter une usure importante des parties en mouvement du dispositif (par exemple la pompe), ainsi que le dépôt des fibrilles sur la mèche de filaments étalée.
Il faut souligner ici l'intérêt de ce mode d'étalement sur le mode pneumatique qui nécessite d'avoir une enceinte sous dépression pour éviter de polluer l'atmosphère environnante par les fibrilles produites lors de l'étalement.
Enfin, l'efficacité de l'opération peut être améliorée si nécessaire par l'utilisation d'un dispositif à ultrasons pour faire vibrer la cuve.
Enfin, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui vient d'être décrit ici, mais qu'on peut envisager des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Par exemple, si, dans le mode préféré de réalisation, on recycle le liquide contenu dans la cuve pour le projeter sur la mèche de filaments, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser un autre liquide. L'homme du métier choisira en fonction de chaque cas particulier la nature du liquide contenu dans la cuve ainsi que la vitesse de passage de la mèche de filaments, la position de la buse 48 et le débit du liquide éjecté par celle-ci en fonction de la nature et des propriétés mécaniques de la mèche de filaments. Enfin, on peut utiliser ou non le four de désensimage, le système de détorsion et le système à ultrasons suivant le type de mèche de filaments employé et utiliser tout moyen convenable pour dérouler la mèche de filaments de la bobine émettrice et l'enrouler sur la bobine réceptrice. Dans le cas où l'on utilise le four de désensimage, l'homme du métier choisira la longueur et la température du four en fonction de la vitesse d'étalement désirée pour la mèche de filaments (la vitesse de désensimage est liée à la longueur du four, à sa température ainsi qu'à l'atmosphère employée).

Claims

1. Procédé d'étalement en continu d'au moins une mèche de filaments (18) comprenant plusieurs filaments (58) afin de séparer ces filaments les uns des autres, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes consistant à :

(a) faire passer la mèche de filaments (18) à l'intérieur d'une masse d'un premier liquide (32), et simultanément ;

(b) projeter un flux d'un deuxième liquide sur la mèche de filaments (18) en un point situé à l'intérieur de la masse du premier liquide (32),
caractérisé par le fait que le deuxième liquide est projeté sur la mèche de filaments (18) avec une telle pression qu'elle entraîne elle-même une tension qui provoque la séparation des filaments, la mèche de filaments (18) étant maintenue en tension entre un rouleau (36) sur lequel passe la mèche de filaments (18) en amont du point où est projeté le deuxième liquide et une bobine réceptrice (38) en aval de ce point ;

(c) enrouler la mèche de filaments (18) après avoir été étalée sur une bobine réceptrice (38).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise le premier liquide (32) lui-même comme deuxième liquide, le liquide projeté sur la mèche de filaments (18) étant prélevé dans la masse du premier liquide (32), réalisant ainsi un recyclage de celui-ci.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on filtre le liquide ainsi recyclé.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et/ou le deuxième liquide appartient au groupe constitué par l'eau distillée, l'hexane et l'alcool.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire, effectuée avant l'étape (a), consistant à désensimer la mèche de filaments (18).

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait vibrer le premier liquide (32) au moyen d'ultrasons.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire, effectuée avant l'étape (a), consistant à soumettre la mèche de filaments (18) à une opération de détorsion.

8. Dispositif pour l'étalement en continu d'au moins une mèche de filaments (18) comprenant plusieurs filaments (58) afin de séparer ces filaments les uns des autres, comprenant :

- une cuve (30) apte à contenir un premier liquide (32) ;

- des moyens pour faire passer la mèche de filaments (18) à l'intérieur de ce premier liquide (32),
caractérisé en ce qu'il comprend :

- des moyens pour projeter un flux d'un deuxième liquide sur la mèche de filaments (18) en un point situé à l'intérieur du premier liquide (32), ces moyens comprenant :

- une pompe (50) ;

- une première conduite (52) ayant une première extrémité située à l'intérieur du liquide (32) contenu dans la cuve (30) et une deuxième extrémité débouchant dans cette pompe (50) ;

- une buse (48) disposée à l'intérieur du premier liquide (32) de manière à projeter du liquide sur la mèche de filaments (18) audit point situé à l'intérieur du premier liquide (32) ; et

- une deuxième conduite (54) reliant la pompe à cette buse (48), la pompe aspirant le premier liquide (32) à travers la première conduite (52) et le refoulant à travers la deuxième conduite (54) et la buse (48) ;

- des moyens pour maintenir la mèche de filaments (18) en tension entre deux points situés de part et d'autre de celui où est projeté le flux du deuxième liquide, ces moyens comprenant :

- un rouleau (36) sur lequel passe la mèche de filaments (18) en amont du point où est projeté le deuxième liquide ; et

- une bobine réceptrice (38) sur laquelle s'enroule la mèche de filaments (18) étalée en aval de ce point.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de projection comprennent en outre un filtre (56) pour filtrer le premier liquide (32) circulant dans ces moyens de projection.

10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un four de désensimage (24) à travers lequel passe la mèche de filaments (18) avant de pénétrer dans la masse du premier liquide (32).

11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif à ultrasons (61) pour faire vibrer le premier liquide (32) contenu dans la cuve (30).

12. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système de détorsion (26) de la mèche de filaments (18) disposé en amont du four de désensimage (24).