EP0354139A1 - Fils hybrides pour matériaux composites à matrice thermoplastique et leur procédé d'obtention - Google Patents

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EP0354139A1
EP0354139A1 EP89420275A EP89420275A EP0354139A1 EP 0354139 A1 EP0354139 A1 EP 0354139A1 EP 89420275 A EP89420275 A EP 89420275A EP 89420275 A EP89420275 A EP 89420275A EP 0354139 A1 EP0354139 A1 EP 0354139A1
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    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
    • D02G3/40—Yarns in which fibres are united by adhesives; Impregnated yarns or threads
    • D02G3/402—Yarns in which fibres are united by adhesives; Impregnated yarns or threads the adhesive being one component of the yarn, i.e. thermoplastic yarn
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01G—PRELIMINARY TREATMENT OF FIBRES, e.g. FOR SPINNING
    • D01G1/00—Severing continuous filaments or long fibres, e.g. stapling
    • D01G1/06—Converting tows to slivers or yarns, e.g. in direct spinning
    • D01G1/08—Converting tows to slivers or yarns, e.g. in direct spinning by stretching or abrading

Definitions

  • the present invention relates to hybrid yarns for composite materials with a thermoplastic matrix, especially in the case where this matrix is made up of thermoplastic fibers as well as their process for obtaining.
  • the reinforcing fibers carbon, aramid or glass
  • the reinforcing fibers which are generally found in the form of multifilaments, are woven alternately with multifilaments of thermoplastic matrix fibers .
  • thermoplastic matrix fibers belong to the conventional families: polyether ether ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polyetherimide (PEI), etc.
  • This manufacturing technique has many disadvantages, among which we can cite: - poor wettability, - a high vacuum rate, - delamination of the reinforcing fibers.
  • Another technique consists of intermingling the multifilament of reinforcing fibers with the multifilament of thermoplastic fiber.
  • the present invention has set itself the aim of proposing hybrid wires for thermoplastic matrix composites making it possible to control and solve these problems.
  • the hybrid yarns according to the invention are characterized in that they consist of an intimate mixture of yarns of reinforcing fibers and yarns of thermoplastic matrix fibers, each of the yarns of fibers having been obtained beforehand by cracking according to a slow drawing and progressive multifilaments.
  • the yarns of reinforcing fibers are chosen from yarns of carbon, aramid or glass fibers.
  • thermoplastic matrix fibers are chosen from yarns of polyether ether ketone fibers (PEEK), of phenylene polysulfide (PPS), polyethersulfone (PES), polyetherimide (PEI), as well as among the other fiber yarns known for this purpose, such as polyamides and polyimides.
  • PEEK polyether ether ketone fibers
  • PES phenylene polysulfide
  • PES polyethersulfone
  • PEI polyetherimide
  • the relative proportions of the reinforcing fibers and of the thermoplastic matrix fibers are situated around 65% for reinforcing fibers and 35% for thermoplastic matrix fibers.
  • the invention also relates to a process for obtaining hybrid wires for composite materials according to the invention.
  • multifilaments of reinforcing fibers and multifilaments of thermoplastic matrix fibers are subjected to a separate process of cracking by slow and progressive drawing, then the ribbons of staple fibers thus obtained are assembled on a drawing machine of intersecting type, the ribbon leaving this stretching machine then being assembled on a second stretching machine with other identical ribbons, this operation being repeated several times so as to produce the most intimate mixture possible, the final ribbon obtained then being subjected in conventional long fiber spinning operations: passage on a spindle bench, actual spinning, winding, assembly and twisting.
  • the yarns thus obtained are capable of being transformed by weaving, knitting or braiding to obtain composite materials having numerous advantages over materials of the same type obtained according to the processes of the prior art.
  • the composite obtained also exhibits very good aptitudes for hot stamping.
  • the reinforcing fibers are generally designated by 2 and the thermoplastic matrix fibers by 3 .
  • the multifilament cables supplied from the coils 10 are subjected to a cracking operation by stretching and controlled breaking, the speeds of the stretching zones 11,12 and of the cracking zones 13,14 gradually increasing so that: V10 ⁇ V12 ⁇ V13 ⁇ V14 which makes it possible to obtain at the outlet a ribbon of staple fibers whose average length is perfectly controlled.
  • This length is moreover illustrated by the diagram of FIG. 1 on which the lengths of fibers in mm are plotted on the ordinate and the abscissa is the population of fibers expressed as a percentage of the number of fibers in this population.
  • This ribbon then undergoes conventional spinning operations in the long fiber technique: - passage on pin benches, - spinning, - winding, - assembly, - twisting, which makes it possible to obtain the hybrid fiber yarn for composite materials with a thermoplastic matrix according to the invention, this fiber yarn being, of course, capable of being subsequently transformed by weaving, knitting or braiding.
  • thermoplastic matrix fiber melts by trapping the reinforcing fibers.
  • the performance of the composite thus obtained therefore depends only on the characteristics of the elementary fibers and their attachment to the thermoplastic matrix.
  • Table I summarizes the properties of three types of hybrid fiber yarns according to the invention in which both the reinforcing fibers and the thermoplastic matrix fibers have been varied.
  • Table II compares the properties of different composite materials produced from hybrid fiber yarns according to the invention, compared to composites produced according to the prior art and described in the literature.
  • Sample references Yarn rate by volume% Density g / cm2 Vacuum rate% FLEXION SHEARING TRACTION Breaking stress (GPa) Module (GPa) Breaking stress (MPa) Breaking stress (GPa) Module (GPa) 1 56 1.60 1.2 0.94 53.5 - - - 2 56.7 1.60 0.9 0.86 65.4 - - - 3 58.2 1.61 0.1 - - 57.3 - - 4 56 1.60 0.4 - - 59.3 - - 5 56.7 1.62 0.9 - - - 0.96 44.7 6 58.9 1.62 0.9 - - - 0.89 44.7 SAMPE, Jal Jan-Feb 88.

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Abstract

Ces fils sont constitués d'un mélange intime de filés de fibres de renfort (2) et de filés de fibres matrices thermoplastiques (3), chacun des filés de fibres ayant été préalablement obtenu par craquage selon un étirage lent et progressif de multifilaments. Leur procédé d'obtention est caractérisé en ce que l'on soumet des multifilaments de fibres de renfort (2) et des multifilaments de fibres matrices thermoplastiques (3) à un processus séparé de craquage par étirage lent et progressif, puis en ce que l'on assemble les rubans (2,3) de fibres discontinues ainsi obtenus sur une machine d'étirage (15) type intersecting, le ruban (4) sortant de cette machine d'étirage étant ensuite assemblé sur une second machine d'étirage avec d'autres rubans identiques, cette opération étant répétée plusieurs fois de façon à réaliser le mélange le plus intime possible, le ruban final obtenu étant ensuite soumis aux opérations classiques de filature de fibres longues : passage sur banc à broches, filature proprement dite, bobinage, assemblage et retordage.

Description

  • La présente invention concerne des fils hybrides pour matériaux composites à matrice thermoplastique, spécialement dans le cas où cette matrice est constituée de fibres thermoplastiques ainsi que leur procédé d'obtention.
  • On sait que, dans les procédés actuels utilisés pour la fabrication de ces types de matériaux composites, les fibres de renfort (carbone, aramide ou verre), qui se trouvent généralement sous forme de multifilaments, sont tissées alternativement avec des multifilaments de fibres matrices thermo­plastiques.
  • Ces fibres matrices thermoplastiques appartiennent aux familles classiques : polyéther éther éther cétone (PEEK), polysulfure de phénylène (PPS), polyétherimide (PEI), etc...
  • Cette technique de fabrication présente de multiples inconvénients parmi lesquels on peut citer :
    - une mauvaise mouillabilité,
    - un taux de vide important,
    - un délaminage des fibres de renfort.
  • Une autre technique consiste à entremêler le multifilament de fibres de renfort avec le multifilament de fibre thermoplastique.
  • On constate alors une amélioration du résultat obtenu mais les problèmes exposés ci-dessus ne sont pas complètement résolus. D'autre part, le coût de cette technique, assez élevé, empêche pratiquement sa mise en oeuvre dans le cas de séries industrielles.
  • La présente invention s'est donné pour but de proposer des fils hybrides pour composites à matrice thermoplastique permettant de maîtriser et de résoudre ces problèmes.
  • Les fils hybrides selon l'invention sont caractérisés en ce qu'ils sont constitués d'un mélange intime de filés de fibres de renfort et de filés de fibres matrices thermoplastiques, chacun des filés de fibres ayant été préalablement obtenu par craquage selon un étirage lent et progressif de multifilaments.
  • Les filés de fibres de renfort sont choisis parmi les filés de fibres de carbone, d'aramide ou de verre.
  • Les filés de fibres matrices thermoplastiques sont choisis parmi les filés de fibres de polyéther éther cétone (PEEK), de polysulfure de phénylène (PPS), de polyéthersulfone (PES), de polyétherimide (PEI), ainsi que parmi les autres filés de fibres connus dans ce but, tels que les polyamides et les polyimides.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les proportions relatives des fibres de renfort et des fibres matrices thermoplastiques, proportions qui peuvent, bien entendu, varier en fonction des caractéristiques des fibres matrices et en particulier de leur viscosité à chaud, se situent aux environs de 65 % pour les fibres de renfort et de 35 % pour les fibres matrices thermoplastiques.
  • L'invention a également pour objet un procédé d'obtention des fils hybrides pour matériaux composites selon l'invention.
  • Selon ce procédé, on soumet des multifilaments de fibres de renfort et des multifilaments de fibres matrices thermoplastiques à un processus séparé de craquage par étirage lent et progressif, puis on assemble les rubans de fibres discontinues ainsi obtenus sur une machine d'étirage type intersecting, le ruban sortant de cette machine d'étirage étant ensuite assemblé sur une seconde machine d'étirage avec d'autres rubans identiques, cette opération étant répétée plusieurs fois de façon à réaliser le mélange le plus intime possible, le ruban final obtenu étant ensuite soumis aux opérations classiques de filature de fibres longues : passage sur banc à broches, filature proprement dite, bobinage, assemblage et retordage.
  • Les filés ainsi obtenus sont aptes à être transformés par tissage, tricotage ou tressage pour l'obtention de matériaux composites présentant de nombreux avantages par rapport aux matériaux du même type obtenus selon les procédés de la technique antérieure.
  • Ces avantages sont les suivants :
    - une très bonne mouillabilité des fibres de renfort,
    - un très faible taux de vide,
    - une drapabilité des surfaces textiles permettant le moulage des surfaces développables ou non ;
    - une très bonne isotropie du matériau dans la direction des fibres de renfort,
    - une excellente résistance au délaminage. En fait, le matériau se présente comme un solide monolithique qui a "oublié" sa structure initiale stratifiée.
  • Le composite obtenu présente, en outre, de très bonnes aptitutdes à l'estampage à chaud.
  • Le procédé d'obtention des fils hybrides pour matériaux composites selon l'invention va maintenant être décrit plus en détail en référence au dessin schématique annexé qui l'illustre sans nullement le limiter. Dans ce dessin :
    • Figure 1 est un diagramme de longueurs des fibres ayant été soumises à l'opération de craquage ;
    • Figure 2 est une vue très schématique de l'installation de craquage et,
    • Figure 3 est une vue très schématique de l'installation de mélange des fibres craquées conduisant à l'obtention d'un ruban de filés de fibres hybrides selon l'invention.
  • Sur les figures, les fibres de renfort sont désignées de façon générale par 2 et les fibres de matrice thermoplastique par 3.
  • Sur l'installation de craquage représentée à la figure 2, les câbles de multifilaments alimentés à partir des bobines 10 (qu'il s'agisse de multi­filaments de fils de renfort ou de fils de matrice thermoplastique) sont soumis à une opération de craquage par étirage et rupture contrôlée, les vitesses des zones d'étirage 11,12 et des zones de craquage 13,14 augmentant progressi­vement de telle sorte que :
    V₁₀ < V₁₂ < V₁₃ < V₁₄
    ce qui permet d'obtenir à la sortie un ruban de fibres discontinues dont la longueur moyenne est parfaitement maîtrisée.
  • Cette longueur est d'ailleurs illustrée par le diagramme de la figure 1 sur laquelle on a porté en ordonnées les longueurs de fibres en mm et en abscisses la population des fibres exprimée en pourcentage du nombre de fibres de cette population.
  • Il est bien évident que l'on utilisera des installations de craquage différentes pour obtenir, d'une part, des rubans de fibres discontinues de renfort 2 et, d'autre part, des rubans de fibres discontinues de matrice thermoplastique 3.
  • Les différents rubans 2 et 3 ainsi obtenus sont ensuite amenés, par tout moyen connu en soi, au dispositif de mélange représenté à la figure 3.
  • Il s'agit d'une installation comportant une zone d'étirage 15, du type intersecting, qui permet d'obtenir, à la sortie un ruban non homogène 4 de fibres de renfort 2 et de fibres matrices 3 mélangées qui comporte des "traces" de chacun des composants.
  • Chaque ruban 4 ainsi obtenu sera, à la sortie de cette machine, assemblé sur une installation similaire à celle représentée à la figure 3 avec dix autres rubans identiques ; cette opération sera répétée environ quatre fois ce qui permettra d'obtenir les filés de fibres hybrides selon l'invention dans les proportions finales désirées de fibres de renfort et de fibres thermo­plastiques, ces proportions, variant, bien évidemment, en fonction des ca­ractéristiques des fibres de matrices thermoplastiques et en particulier de leur viscosité à chaud, se situant en général aux environs de 65 % de fibres de renfort et aux environs de 35 % de fibres matrices thermoplastique. Ces filés de fibres sont constitués d'un mélange intime de fibres de renfort et de fibres matrices thermoplastiques.
  • Ce ruban subit ensuite les opérations classiques de filature en technique fibres longues :
    - passage sur bancs à broches,
    - filature,
    - bobinage,
    - assemblage,
    - retordage,
    ce qui permet d'obtenir le filé de fibres hybrides pour matériaux composites à matrice thermoplastique selon l'invention, ce filé de fibres étant, bien entendu, susceptible d'être transformé par la suite par tissage, tricotage ou tressage.
  • Ce filé ne possède pas de caractéristiques mécaniques particulières, car au moment de la mise en forme, la fibre matrice thermoplastique fond en emprisonnant les fibres de renfort. Les performances du composite ainsi obtenu ne sont donc fonction que des caractéristiques des fibres élémentaires et de leur accrochage dans la matrice thermoplastique.
  • Le tableau I ci-après résume les propriétés de trois types de filés de fibres hybrides selon l'invention dans lesquels on a fait varier tant les fibres de renfort que les fibres matrices thermoplastiques.
    Figure imgb0001
  • Le Tableau II compare les propriétés de différents matériaux composites réalisés à partir de filés de fibres hybrides selon l'invention, comparativement à des composites réalisés selon la technique antérieure et décrits dans la littérature. TABLEAU II
    Références échantillons Taux de fils en volume % Densité g/cm² Taux de vide % FLEXION CISAILLEMENT TRACTION
    Contrainte rupture (GPa) Module (GPa) Contrainte rupture (MPa) Contrainte rupture (GPa) Module (GPa)
    1 56 1,60 1,2 0,94 53,5 - - -
    2 56,7 1,60 0,9 0,86 65,4 - - -
    3 58,2 1,61 0,1 - - 57,3 - -
    4 56 1,60 0,4 - - 59,3 - -
    5 56,7 1.62 0,9 - - - 0,96 44,7
    6 58,9 1,62 0,9 - - - 0,89 44,7
    SAMPE, Jal Jan-Feb 88. p 8-10 * 51 1,54 1,6 1,19 91,6 - 1,43 120,6
    53 1,58 0,5 1,34 99,9 - 1,59 122,6
    COmposite N°3-Mai-Juin 1986 - p121-128 ** 56 - - 1,4 126 - 1,2 -
    * : Tableau IV page 10
    ** : Tableau N° II page 123 - dernière colonne.

Claims (5)

1- Fils hybrides pour composites à matrice thermoplastique, caractérisés en ce qu'ils sont constitués d'un mélange intime de filés de fibres de renfort (2) et de filés de fibres matrices thermoplastiques (3), chacun des filés de fibres ayant été préalablement obtenu par craquage selon un étirage lent et progressif de multifilaments.
2- Fils hybrides selon la revendication 1, caractérisés en ce que les filés de fibres de renfort sont choisis parmi les filés de fibres de carbone, d'aramide ou de verre.
3- Fils hybrides selon la revendication 1, caractérisés en ce que les filés de fibres matrices thermoplastiques sont choisis parmi les filés de fibres de polyéther éther cétone (PEEK), de polysulfure de phénylène (PPS), de polyéthersulfone (PES), de polyétherimide (PEI), ainsi que parmi les autres filés de fibres connus dans ce but, tels que les polyamides et les polyimides.
4- Fils hybrides selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que les proportions relatives des fibres de renfort et des fibres matrices thermoplastiques, se situent aux environs de 65 % pour les fibres de renfort et de 35 % pour les fibres matrices thermoplastiques.
5- Procédé d'obtention des fils hybrides pour matériaux composites selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on soumet des multifilaments de fibres de renfort (2) et des multifilaments de fibres matrices thermoplastiques (3) à un processus séparé de craquage par étirage lent et progressif, puis en ce que l'on assemble les rubans (2,3) de fibres discontinues ainsi obtenus sur une machine d'étirage (15) inter­secting, le ruban (4) sortant de cette machine d'étirage étant ensuite assemblé sur une seconde machine d'étirage avec d'autres rubans identiques, cette opération étant répétée plusieurs fois de façon à réaliser le mélange le plus intime possible, le ruban final obtenu étant ensuite soumis aux opérations classiques de filature de fibres longues : passage sur banc à broches, filature proprement dite, bobinage, assemblage et retordage.
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