EP0659923B1 - Réseau de fils de verre et matériau composite renforcé par ledit réseau - Google Patents

Réseau de fils de verre et matériau composite renforcé par ledit réseau Download PDF

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EP0659923B1
EP0659923B1 EP19940403005 EP94403005A EP0659923B1 EP 0659923 B1 EP0659923 B1 EP 0659923B1 EP 19940403005 EP19940403005 EP 19940403005 EP 94403005 A EP94403005 A EP 94403005A EP 0659923 B1 EP0659923 B1 EP 0659923B1
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network
glass
sheet
composite material
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EP19940403005
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Joseph Gulino
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Saint Gobain Adfors SAS
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Vetrotex France SA
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a network of parallel glass wires intended to serve as reinforcement of an organic mixture.
  • Glass strands can be used in a variety of ways to strengthen thermosetting or thermoplastic organic materials.
  • a composite part, obtained from such reinforced materials is mechanically stressed during its use, it is known to produce said piece from glass son oriented in a direction privileged. Often this type of part is made by impregnating several organic matter layers of glass strands in the form of unidirectional layers.
  • the second difficulty lies in the production of a complex composite part, in which the reinforcements arranged in parallel are oriented in a plane along at least two different directions to follow the shape of said piece.
  • a complex composite part in which the reinforcements arranged in parallel are oriented in a plane along at least two different directions to follow the shape of said piece.
  • Such a part requires the juxtaposition of at least two parallel reinforcing plies in two orientations different.
  • This distribution of reinforcements results in a discontinuity when passing from a tablecloth to another. If the area in which this discontinuity is located, let it be on the surface or within the composite material, is subjected to efforts, over-stresses will appear in this area with the consequence of the risk of rapid degradation of the material.
  • the different orientations of the reinforcement plies also induce over-stresses over the entire periphery of the composite material part.
  • the subject of the present invention is a network of parallel glass wires such as said wires can be used as reinforcements in a complex composite part, avoiding any discontinuity within said part.
  • the subject of the present invention is a network of parallel wires capable of being deformed and which has sufficient stability to be handled without risking causing accidental displacement of one or more wires during the production of a composite part complex.
  • the subject of the present invention is a network of parallel glass wires in which the method of bonding said wires together is such that it practically does not affect the resistance to fatigue of a composite part in which said network serves as reinforcement.
  • the present invention also relates to a composite material reinforced by a such a network of parallel glass wires.
  • a network of parallel glass wires intended to be associated to an organic mixture to produce a composite material, said network being formed of a multiplicity of continuous glass strands, arranged in parallel in the form of a flat sheet, said wires being connected to each other by wires arranged transversely to said sheet according to a binding method called chain, the glass strands being made partially integral by means of an organic thermoplastic binder, and the binding yarns having a module lower elasticity than glass wire and a melting or softening temperature higher than the melting or softening temperature of the binder.
  • the quantity by weight of organic matter deposited is generally higher at 0.5% relative to the weight of the sheet and, preferably, less than 2%.
  • the binder is deposited at a temperature below its softening temperature or of fusion and reheated on the surface of the water table to a temperature higher than its point softening or melting to ensure adhesion of the binder to the surface of the web.
  • softening means the transition from the solid phase to a sufficiently viscous phase to ensure adhesion of the binder to the web.
  • the softening or melting temperature of the binder chosen is generally greater than approximately 40 ° C and less than approximately 130 ° C.
  • consolidation is meant a state such as intrinsic characteristics of the network of parallel glass wires and of the deformed sheet are not altered by successive manipulations.
  • One of the advantageous characteristics of the glass wire network according to the invention is its ability to be able to deform, for example in a plane, so as to bend, in a zone determined the orientation of the glass strands constituting the sheet.
  • This change orientation is carried out, for all of the ply yarns, relative to one of the yarns transverse which link said wires.
  • these cross wires will be referred to in the continuation of the description son of binding.
  • the geometrical deformation of the network of parallel glass wires must occur at a temperature above the softening or melting point of the binder.
  • the wire network of glass thus deformed, after returning to a temperature below the temperature of softening or melting of the binder, also presents a state of consolidation such that its handling is greatly facilitated and its deformation geometry easily preserved.
  • the tying yarns used consist of a material whose melting point or softening is higher than the melting or softening temperature of the binder. So can the network be deformed and consolidated by cooling several times without ever lose the orientation potential of the wires passing through the loops of the chain.
  • the method of tying the wires of the web of the network according to the invention is a chain and, preferably a closed chain link. This method of tying by a chain allows son of the glass sheet to be maintained within it, stretched and without ripples which allows to considerably increase the fatigue strength of a composite material consisting of such a reinforcement.
  • this method of tying makes it possible to maintain a constant and defined spacing between the glass strands of the sheet in order to ensure good flow of the organic resin to the within the reinforcement during the molding phase to obtain the composite material.
  • this method of binding makes it possible to avoid any risk of random movement of the strands of glass strands during the molding phase when the injection or compression pressure becomes high, which improves the reproducibility of molded parts.
  • the yarn chosen as the tying yarn or chain is preferably an organic yarn.
  • the tying thread or chain may be made of an identical material or similar.
  • the ability to deform the network of glass strands according to the invention is closely dependent on the interval separating two consecutive tying threads or chains. To get an inflection of the ply of wires parallel in a plane, without causing folds or corrugations, it is preferable that the smallest interval between two tying threads consecutive is at least equal to 5 millimeters. Binding wires in a wire network according to the invention are generally regularly spaced.
  • the glass wires can be distributed in the sheet under the form of a series of locks, each lock being formed by the union of several wires.
  • the wicks forming the sheet have a titer of at least 300 tex.
  • the network of wires according to the invention is used to reinforce organic materials thermosetting or thermoplastic.
  • the composite material produced comprises at least a layer of such a network.
  • the layer or layers of threads which reinforce it may each consist of a network according to the invention, the web of which is deformed by relative to at least one tying thread, so that the threads are divided into at least two groups of parallel wires making a determined angle between them. So the composite material may include one or more plies of parallel wires which, after one or more deformations, remained flat. Each deformation then simply consisted of a rotation in the initial plane of each thread or wick around the different chain points a specific binding wire.
  • the composite material can also comprise one or more plies which, after one or more deformations, have a curvature, a bend with respect to the initial plane of the tablecloth.
  • Each deformation then consisted of a rotation of each wire or wick around at least one binding wire, chosen as the deformation axis, so as to form a angle determined with respect to the initial plane of the water table.
  • the network of parallel wires according to the invention thus makes it possible to produce three-dimensional composite parts of shape complex.
  • This figure schematically represents a fragment of a network of glass wires according to the invention.
  • This network consists of a series of roving strands 10 arranged in parallel to each other in a plane.
  • Each wick has a title of 1200 tex and it is made up of filaments with an average diameter of around 17 micrometers.
  • the strand of wicks 10 is held in place by a closed chain 11 made of a polyester thread with a count of 50 dtex.
  • the locks 10 are linked together by said chain using a loom of the knitting type. discarded stitches.
  • the interval "d" between two consecutive chains is 8 millimeters.
  • this network can be deformed in relation to the chain 12.
  • the locks 10 have pivoted by an angle ⁇ using the loops of the chain 12 as hinges.
  • This change of orientation is carried out without training of fold or ripple of the web.
  • the same network can be distorted compared to several chains to follow complex shapes. Thanks to this great flexibility, the network according the invention can play the same role as several juxtaposed and oriented tablecloths differently, but without showing any discontinuity at one end of the ply of yarns glass to another.
  • a flat plate, curved at its two ends, 70 cm long by 10 cm of width was made by stacking 10 layers of a network of strands of glass threads such as defined above.
  • Each layer is formed by a network of strands of threads on which has been deposited beforehand a powdered thermoplastic binder.
  • This binder deposited at a rate of 1% by weight of glass is a polyester marketed under the reference NEOXIL 940 HF-2B by the Company DSM.
  • the network deformation is consolidated by cooling, after treatment thermal at 80 ° C.
  • the stack produced was impregnated with a resin constituted by a system marketed by THE DOW CHEMICAL Co under the trademarks D.E.H. 39 and D.E.R. 332.

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Description

La présente invention concerne un réseau de fils de verre parallèles destiné à servir de renfort d'un mélange organique.
Les fils de verre peuvent être utilisés de multiples manières pour renforcer des matières organiques thermodurcissables ou thermoplastiques. Lorsqu'une pièce composite, obtenue à partir de telles matières renforcées est sollicitée mécaniquement lors de son emploi, il est connu de réaliser ladite pièce à partir de fils de verre orientés selon une direction privilégiée. Souvent ce type de pièce est réalisé en imprégnant de matière organique plusieurs couches de fils de verre se présentant sous la forme de nappes unidirectionnelles.
La réalisation d'une pièce composite complexe à partir d'un tel renfort se heurte à plusieurs difficultés.
La première réside dans le fait que les fils constituant ces nappes peuvent se déformer, se déplacer les uns par rapport aux autres, au cours des manipulations qui interviennent entre le moment de la fabrication desdites nappes et celui de la réalisation de la pièce composite.
Pour remédier à cet inconvénient, il est connu, d'après la demande de brevet français FR-A-2 594 858 de réaliser une nappe de fils parallèles, par exemple de fils de verre, assemblés à l'aide de fils de liage transversaux thermofusibles. On obtient une nappe dont les fils ne peuvent plus se déplacer les uns par rapport aux autres grâce à un traitement thermique, qui provoque la fusion des fils de liage et, par là même, le collage des fils de verre entre eux. Après ce traitement, la nappe peut être manipulée, découpée sans aucun risque de déformation. La rigidité ainsi conférée à la nappe entrave toute déformation ultérieure qu'il serait souhaitable de lui faire subir lors de la réalisation d'une pièce composite.
La seconde difficulté réside dans la réalisation d'une pièce composite complexe, dans lequel les renforts disposés parallèlement sont orientés dans un plan selon au moins deux directions différentes pour suivre la forme de ladite pièce. En effet, une telle pièce nécessite la juxtaposition d'au moins deux nappes de renforts parallèles selon deux orientations différentes. Cette répartition des renforts se traduit par une discontinuité lorsqu'on passe d'une nappe à l'autre. Si la zone dans laquelle se trouve cette discontinuité, qu'elle soit en surface ou au sein du matériau composite, est soumise à des efforts, des surcontraintes apparaítront dans cette zone avec comme conséquence le risque d'une dégradation rapide du matériau. D'autre part, les orientations différentes des nappes du renfort induisent également des surcontraintes sur toute la périphérie de la pièce en matériau composite.
La présente invention a pour objet, un réseau de fils de verre parallèles tel que lesdits fils puissent être utilisés comme renforts dans une pièce composite complexe, en évitant toute discontinuité au sein de ladite pièce.
La présente invention a pour objet, un réseau de fils parallèles susceptibles d'être déformé et qui possède une stabilité suffisante pour être manipulé sans risquer de provoquer le déplacement accidentel d'un ou plusieurs fils lors de la réalisation d'une pièce composite complexe.
La présente invention a pour objet, un réseau de fils de verre parallèles dans lequel le mode de liaison desdits fils entre eux est tel qu'il n'affecte pratiquement pas la résistance à la fatigue d'une pièce composite dans lequel ledit réseau sert de renfort.
La présente invention a également pour objet un matériau composite renforcé par un tel réseau de fils de verre parallèles.
Ces buts sont atteints grâce à un réseau de fils de verre parallèles destiné à être associé à un mélange organique pour réaliser un matériau composite, ledit réseau étant formé d'une multiplicité de fils de verre continus, disposés parallèlement sous la forme d'une nappe plane, lesdits fils étant reliés les uns aux autres par des fils disposés transversalement à ladite nappe selon un mode de liage appelé chaínette, les fils de verre étant rendus partiellement solidaires au moyen d'un liant organique thermoplastique, et les fils de liage présentant un module d'élasticité inférieur à celui du fil de verre et une température de fusion ou de ramollissement supérieure à la température de fusion ou de ramollissement du liant.
La manipulation de la nappe de verre, la déformation du réseau de fils de verre parallèles qui lui sont associés et la conservation de cette déformation sont grandement facilitées par le dépôt d'une matière organique, liquide ou sous forme de poudre à la surface de la nappe. La quantité pondérale de matière organique déposée est généralement supérieure à 0,5% par rapport au poids de la nappe et, de préférence, inférieure à 2%.
Par commodité, cette matière organique de dépôt sera appelée dans la suite de la description «liant».
Le liant est déposé à une température inférieure à sa température de ramollissement ou de fusion et réchauffé à la surface de la nappe jusqu'à une température supérieure à son point de ramollissement ou de fusion afin d'assurer l'adhésion du liant à la surface de la nappe. Par ramollissement, on entend le passage de la phase solide à une phase suffisamment visqueuse pour assurer l'adhésion du liant à la nappe. La température de ramollissement ou de fusion du liant choisi est généralement supérieure à environ 40°C et inférieur à environ 130°C.
Après refroidissement et retour au-dessous de cette température de ramollissement ou de fusion du liant et de la nappe, cette dernière présente un état de consolidation tel que sa manipulation en est grandement facilitée. Par consolidation, on entend un état tel que les caractéristiques intrinsèques du réseau de fils de verre parallèles et de la nappe déformée ne soient pas altérées par des manipulations successives.
L'une des caractéristiques avantageuses du réseau de fils de verre selon l'invention est son aptitude à pouvoir se déformer, par exemple dans un plan, de manière à infléchir, dans une zone déterminée l'orientation des fils de verre constituant la nappe. Ce changement d'orientation est effectué, pour l'ensemble des fils de la nappe, par rapport à un des fils transversaux qui lient lesdits fils. Par commodité, ces fils transversaux seront appelés dans la suite de la description fils de liage. Par ce changement d'orientation on peut ainsi obtenir l'équivalent de deux nappes liées l'une à l'autre et faisant entre elles un angle bien défini.
La déformation géométrique du réseau de fils de verre parallèles doit se produire à une température supérieure au point de ramollissement ou de fusion du liant. Le réseau de fils de verre ainsi déformé, après retour à une température inférieure à la température de ramollissement ou de fusion du liant, présente également un état de consolidation tel que sa manipulation en est grandement facilitée et sa géométrie de déformation facilement conservée.
L'une des caractéristiques avantageuses du réseau de fils selon l'invention est que les fils de liage utilisés sont constitués d'une matière dont la température de fusion ou de ramollissement est supérieure à la température de fusion ou de ramollissement du liant. Ainsi le réseau peut-il être déformé et consolidé par refroidissement à plusieurs reprises sans jamais perdre la potentialité d'orientation des fils passant à travers les boucles de la chaínette.
Lors de la réalisation d'un matériau composite renforcé par un réseau de fils de verre parallèles du type de celui de l'invention, les fils de liage lorsqu'ils sont en verre, abaissent considérablement la résistance à la fatigue de ce matériau, à cause des effets d'orientation transverse par rapport à la direction principale de sollicitation mécanique du matériau.
Un tel phénomène est nettement réduit lorsque le fil de liage est constitué d'une matière dont le module d'élasticité est inférieur à celui du verre, et cela d'autant mieux que ce module se rapproche de celui de la matrice organique à renforcer.
Le mode de liage des fils de la nappe du réseau selon l'invention est une chaínette et, de préférence, une chaínette à mailles fermées. Ce mode de liage par une chaínette permet aux fils de la nappe de verre d'être maintenus au sein de celle-ci, tendus et sans ondulations ce qui permet d'accroítre considérablement la résistance en fatigue d'un matériau composite constitué d'un tel renfort.
D'autre part, ce mode de liage permet de conserver un espacement constant et défini entre les fils de verre de la nappe afin d'assurer un bon écoulement de la résine organique au sein du renfort durant la phase de moulage pour l'obtention du matériau composite.
Enfin, ce mode de liage, de par sa cohésion, permet d'éviter tout risque de déplacement aléatoire des mèches de fils de verre durant la phase de moulage lorsque la pression d'injection ou de compression devient élevée, ce qui améliore la reproductibilité des pièces moulées.
Le fil choisi comme fil de liage ou chaínette est de préférence un fil organique. Lorsque le réseau de fils selon l'invention est destiné à renforcer une matière organique déterminée, le fil de liage ou chaínette peut être constitué d'une matière identique ou similaire.
L'aptitude à la déformation du réseau de fils de verre selon l'invention est étroitement dépendante de l'intervalle séparant deux fils de liage ou chaínettes consécutifs. Pour obtenir une inflexion de la nappe de fils parallèle dans un plan, sans provoquer de plis ou d'ondulations, il est préférable que l'intervalle le plus faible entre deux fils de liage consécutifs soit au moins égal à 5 millimètres. Les fils de liage dans le réseau de fils selon l'invention sont en général régulièrement espacés.
Dans le réseau de fils, les fils de verre peuvent être répartis dans la nappe sous la forme d'une série de mèches, chaque mèche étant formée par la réunion de plusieurs fils. Dans le cadre de l'invention, les mèches formant la nappe ont un titre d'au moins 300 tex. Les fils de verre, répartis ou non sous forme de mèches, sont eux-mêmes constitués d'une multiplicité de filaments continus dont le diamètre moyen est au moins égal à 10 micromètres.
Le réseau de fils selon l'invention est utilisé pour renforcer des matières organiques thermodurcissables ou thermoplastiques. Le matériau composite réalisé comprend au moins une couche d'un tel réseau. Dans ce matériau la ou les couches de fils qui le renforcent peuvent être constituées chacune d'un réseau selon l'invention dont la nappe est déformée par rapport à au moins un fil de liage, de manière que les fils sont répartis en au moins deux groupes de fils parallèles faisant entre eux un angle déterminé. Ainsi, le matériau composite peut comprendre une ou plusieurs nappes de fils parallèles qui, après une ou plusieurs déformations, sont restées planes. Chaque déformation a alors simplement consisté en une rotation dans le plan initial de chaque fil ou mèche autour des différents points de chaínette d'un fil de liage déterminé.
Le matériau composite peut également comprendre une ou plusieurs nappes qui, après une ou plusieurs déformations, présentent une courbure, un cintrage par rapport au plan initial de la nappe. Chaque déformation a alors consisté en une rotation de chaque fil ou mèche autour d'au moins un fil de liage, choisi comme axe de déformation, de manière à former un angle déterminé par rapport au plan initial de la nappe. Le réseau de fils parallèles selon l'invention permet ainsi de réaliser des pièces composites tridimensionnelles de forme complexe.
Les avantages de la présente invention seront mieux compris à travers l'exemple décrit ci-après qui est illustré par une figure unique.
Cette figure représente schématiquement un fragment d'un réseau de fils de verre selon l'invention.
Ce réseau est constitué d'une série de mèches de stratifil 10 disposées parallèlement les unes aux autres dans un plan. Chaque mèche a un titre de 1200 tex et elle est constituée de filaments dont le diamètre moyen est de l'ordre de 17 micromètres. La nappe de mèches 10 est maintenue par une chaínette fermée 11 constituée d'un fil polyester d'un titre de 50 dtex. Les mèches 10 sont liées entre elles par ladite chaínette en utilisant un métier du type tricot à mailles jetées. L'intervalle « d » entre deux chaínettes consécutives est de 8 millimètres.
Comme l'indique la figure, ce réseau peut être déformé par rapport à la chaínette 12. En restant dans un plan les mèches 10 ont pivoté d'un angle α en utilisant les boucles de la chaínette 12 comme charnières. Ce changement d'orientation est effectué sans formation de pli ou d'ondulation de la nappe. Le même réseau peut être déformé par rapport à plusieurs chaínettes pour suivre des formes complexes. Grâce à cette grande souplesse, le réseau selon l'invention peut jouer le même rôle que plusieurs nappes juxtaposées et orientées différemment, mais sans présenter de discontinuité d'une extrémité de la nappe de fils de verre à l'autre.
Ainsi, une plaque plane, incurvée à ses deux extrémités, de 70 cm de longueur de 10 cm de largeur a été réalisée en empilant 10 couches d'un réseau de mèches de fils de verre tel que défini précédemment.
Chaque couche est formée d'un réseau de mèches de fils sur lequel a été déposé préalablement un liant thermoplastique en poudre. Ce liant déposé à raison de 1% en poids de verre est un polyester commercialisé sous la référence NEOXIL 940 HF-2B par la Société DSM. La déformation du réseau est consolidée par le refroidissement, après un traitement thermique à 80°C.
L'empilement réalisé a été imprégné d'une résine constituée par un système commercialisé par la Société THE DOW CHEMICAL Co sous les marques de fabrique D.E.H. 39 et D.E.R. 332.

Claims (9)

  1. Réseau de fils parallèles destiné à être associé à un mélange organique pour réaliser un matériau composite, ledit réseau étant formé d'une multiplicité de fils de verre continus, disposés parallèlement sous la forme d'une nappe plane, lesdits fils étant reliés les uns aux autres par des fils disposés transversalement à ladite nappe selon un mode de liage appelé chaínette, les fils de verre étant rendus partiellement solidaires au moyen d'un liant organique thermoplastique, et les fils de liage présentant un module d'élasticité inférieur à celui du fils de verre et une température de fusion ou de ramollisement supérieure à la température de fusion ou de ramollissement du liant.
  2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de fusion du liant est comprise entre environ 40 et 130°C.
  3. Réseau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fils de liage sont régulièrement espacés selon un intervalle d'au moins 5 millimètres environ.
  4. Réseau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils de verre sont répartis dans la nappe sous la forme d'une série de mèches, chaque mèche ayant un titre au moins égal à 300 Tex.
  5. Réseau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les filaments de verre sont constitués de filaments dont le diamètre moyen est au moins égal à 10 micromètres.
  6. Matériau composite formé d'un mélange organique thermodurcissable ou thermoplastique renforcé par des fils de verre, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche d'un réseau de fils de verre tel que défini par l'une quelconque des revendications 1 à 5.
  7. Matériau composite selon la revendication 6, caractérisé en ce que la ou les couches de fils qui renforcent ledit matériau sont constituées chacune d'un réseau dont la nappe de fils de verre est déformée par rapport à au moins un fil de liage, de manière que les fils sont répartis en au moins deux groupes de fils parallèles faisant entre eux un angle déterminé.
  8. Matériau composite selon la revendication 7, caractérisé en ce que la nappe est déformée en demeurant dans un plan, chaque fil ou mèche formant ladite nappe ayant subi une rotation autour de chaque axe perpendiculaire à ladite nappe et passant dans la zone de contact entre ledit fil ou ladite mèche et le fil de liage choisi comme axe de déformation.
  9. Matériau composite selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux couches d'un réseau formé d'une nappe de fils de verre rendus solidaires par une chaínette polyester, lesdites couches renforçant un mélange à base de résine époxyde.
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