FR2622502A1 - Procede de production d'elements a enroulement filamentaire a partir d'une meche de fibres impregnees d'au moins une resine de condensation solvatee, prealablement a la polymerisation, et appareil d'enroulement filamentaire de meches de fibres ainsi impregnees - Google Patents

Abstract

L'appareil 10 d'enroulement filamentaire de mèches fibreuses 7 imprégnées de résine comprend, successivement, un dispositif 6 d'alimentation en fibres; un système 14, 15, 16 d'alimentation en résine; un évaporateur-réacteur 19 renfermant des premier et deuxième moyens chauffants 8A, 8B pour chauffer la mèche 7 jusqu'à des première et deuxième températures; un moyen 24, 26 d'enroulement et de compactage, renfermant un troisième moyen chauffant ladite mèche 7 jusqu'à une troisième température; et un moyen 25 faisant circuler cette mèche 7, à travers l'appareil 10, dudit dispositif d'alimentation 6 jusqu'audit moyen 24, 26 d'enroulement et de compactage. Application notamment à l'enroulement filamentaire de pièces de moteurs d'aéronefs.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D'ELEMENTS A ENROULEMENT

FILAMENTAIRE A PARTIR D'UNE MECHE DE FIBRES IMPREGNEE D'AU MOINS

UNE RESINE DE CONDENSATION SOLVATEE, PREALABLEMENT

A LA POLYMERISATION, ET APPAREIL D'ENROULEMENT FILAMENTAIRE

DE MECHES DE FIBRES AINSI IMPREGNEES

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION

La présente invention se rapporte à la production.d'élé-

ments composites à enroulement filamentaire et, plus parti-

culièrement, à des parties composites pour moteurs d'aéro-

nefs à turbines à gaz.

Il s'est récemment révélé avantageux de fabriquer des éléments constitutifs de moteurs d'aéronefs à turbines à gaz (par exemple les conduits, les carters, les tubulures et les carénages) à partir de méches en fibres de carbone ou de verre imprégnées de résines à haute performance, en ayant

recours à l'enroulement filamentaire.

Couramment, la majeure partie de l'enroulement fila-

mentaire s'effectue en combinant une résine et des fibres à la température ambiante, immédiatement avant d'enrouler la mèche imprégnée de résine sur un bobinoir de mise en forme (enroulement humide). Des résines typiques englobent les résines époxydes mélangées à des durcisseurs aminés ou

anhydriques, ou bien des polyesters mélangès à des cataly-

seurs peroxydiques et à du styrène en tant que diluant réac-

tif. Ces combinaisons résines-fibres ou combinaisons compo-

sites sont relativement faciles à traiter, présentent une bonne translation des proprietés de leurs constituants en des propriétés composites, et sont économiques pour de nom- breuses applications. Néanmoins, pour des applications à

températures élevées, ces combinaisons sont sévérement li-

mitées si on les compare à des combinaisons avec des rési-

nes de haute performance présentant des températures élevées

de transition vitreuse (Tg). L'une des combinaisons à ré-

sines de ce type est désignée par "TGMDA/DDS", combinaison

d'une résine époxyde tétrafonctionnelle (tétraglycidéther-

méthyline-dianiline) et d'un agent de polymérisation à haute

température (diaminodiphénylsufone). La résine est commer-

cialisée par Ciba-Geigy, sous la dénomination "Araldite

MY720".

Des résines à haute performance possèdent typiquement une viscosité, à température ambiante, suffisamment élevée pour qu'elles n'humectent pas la mèche de fibres et qu'elles

n'y pénètrent pas. Elles doivent par conséquent être chauf-

fées de manière à réduire leur viscosité, mais elles entrent ensuite trop rapidement en réaction pour présenter une durée limite d'emploi acceptable. Les combinaisons "TGMDA/DDS" doivent être quasiment chauffées jusqu'à 100 C pour réduire la viscosité jusqu'à une valeur admissible. A de telles températures cependant, la viscosité croit rapidement suite à l'amorce de la réaction de polymérisation. La chaleur de réaction, conjuguée à la masse de résine chauffée, est de surcroît suffisante pour déclencher un emballement de la

réaction pouvant dégager de grandes quantités de fumées to-

xiques. Une résine époxyde non "TGMDA" est exposée dans "Recent Resin Developments for Filament Winding", S. Lehman, 28th National SAMPE Symposium, avril 1983, pages 347-358. Lehman

a utilisé la résine EA9101, une résine monocomposant pro-

duite par la Dexter Corporation (Hysol Division). La "EA 9101" est réputée présenter des propriétés qui égalent ou surpassent celles de la résine "TGMDA". Chauffée jusqu'à une température d'environ 83 C, cette résine présentait une viscosité suffisamment faible (d'approximativement 1,4 Pa-sec)

pour lui permettre d'être utilisée dans l'enroulement humide.

Toutefois, bien que la "EA9101" possède une réactivité plus faible que celle de la TGMDA/DDS" classique, elle continue d'augmenter en viscosité, à sa température d'enroulement, plus rapidement que la plupart des résines d'enroulement ambiant.

Deux résines sont exposées dans "Resins and Impregna-

tion Systems for Higher Temperature Filament Winding Usage", Brown et al, 29th National SAMPE Symposium, avril 1984, pages 1141-1154. Ces résines ont été élaborées par la Dexter Corporation (Hysol Division). L'une d'entre elles était une

"EA9101" basique modifiée par un diluant époxyde, à réacti-

vité réduite et désignée par "LR100-697". La modification s'est traduite par une viscosité faible et assez constante, de 0,3 Pa-sec à une température de 66 C. Toutefois, la Tg était également ramenée de 213 C à 160 C, remettant sérieusement en question les propriétés de la résine. L'autre résine était une résine de bisphénol à terminaison acétylène, désignée par "LR100-698". Cette résine présentait une très faible viscosité (0,2 Pa-sec) à 66 C, et a accusé un très petit accroissement sur une période d'enroulement de huit

heures. De plus, cette résine présentait une Tg remarquable-

ment élevée, de 260 C. Malheureusement, ces impressionnan-

tes propriétés de la résine ne se sont pas traduites par des propriétés correspondantes des composites à enroulement

filamentaire. Les-composites présentaient de piètres pro-

priétés mécaniques et une tendance gênante à la défaillance interlaminaire, ce qui affectait sérieusement l'intégrité

de ces composites.

Une approche alternative des problèmes de forte visco-

sité de résines à haute température réside dans la mèche de fibres préimprégnée (ou "prepreg"). Une mèche "prepreg" est typiquement élaborée avant l'enroulement filamentaire et séparément de celui-ci. En effet, elle peut être apprêtée par un revendeur extérieur et stockée en vue d'une utilisa-

tion ultérieure. La mèche "prepreg" est fabriquée en rédui-

sant tout d'abord la viscosité de la résine au moyen d'un solvant approprié, pour fournir une résine solvatée. La mèche sèche est tirée à travers un bain de résine solvatée

à température ambiante, dans lequel cette mèche est humi-

difiée et imprégnée par la résine. La mèche imprégnée de résine poursuit son cheminement à travers un four de séchage,

qui élimine le solvant en excès. La mèche séchée est enrou-

lée sur des bobines pour être utilisée ultérieurement.

Brown et al, ("Resins and Impregnation Systems for High Temperature Service Filament Winding Usage", 29th National SAMPE Symposium, avril 1984, pages 1141-1154) ont

également travaillé avec la résine époxyde solvatée "EA 9101".

Cette résine était dissoute dans un solvant acétone/méthanol en proportion 75/25, et employée pour imprégner du "Hysol

Grafil XAS 6K" (6000 filaments), une fibre de carbone haute-

ment résistante. Les bobines de fibres de carbone sèches réclamaient une faible traction antagoniste (inférieure à environ 4,44 N) pour diminuer le crêpage de la mèche. Un apprêt à 2 % d'époxyde, sur les filaments, a également été utile pour empêcher un crêpage. La part de résine renfermée par la mèche "prepreg" a été maitrisée par les proportions de résine et de solvant dans le bain. En conséquence, du solvant frais a dû être ajouté en cours d'intervention, par suite de l'évaporation excessive du solvant. Une température

du four de séchage comprise entre 83 C et 99 C a été suf-

fisante pour éliminer le solvant excédentaire et la mèche

séchée a été enroulée sur des bobines, puis utilisée ulté-

rieurement pour l'enroulement filamentaire de composites.

Une mèche "prepreg" surmonte le problème de la vis-

cosité, mais d'autres problèmes subsistent. La fibre de carbone sèche doit être complètement exempte de défauts et ne pas présenter de filaments rompus, ce qui constitue une exigence sévère imposée à des bobines dans lesquelles la mèche possède typiquement une longueur d'environ 1,7 km à environ ,1 km. La mèche "prepreg" ne doit pas adhérer à elle-même - sur la bobine, faute de quoi les fibres se rompent lors du débobinage et provoquent, à coup sûr, une interruption du travail. De plus, la mèche "prepreg" à résine de haute viscosité est difficile à ouvrir en éventail au cours de

l'enroulement filamentaire, ce qui se traduit par une répar-

tition de fibres irrégulière sur l'épaisseur du composite

à enroulement filamentaire.

Plusieurs procédés d'enroulement filamentaire, uti-

lisant une résine "PMR15", ont été mentionnés par K.I.

Clayton: "High Temperature Plastic Laminate Evaluation", University of Dayton Research Institute (UDRI) dans AFWAL

TR-84-4190, mars 1985. La résine "PMR15" est une résine poly-

imide à haute performance mentionnée par Serafini et al, "Thermally Stable Polyimides from Solutions of Monomeric Reactants", NASA TN D-6611, 1972. La désignation "PMR15" indique le type de la résine (Polymerisation of Monomeric Reactants) et formule un poids moléculaire de 1500. Clayton

a fourni des descriptions de cylindres et de bouteilles

sous pression en des fibres de carbone "PMR15" à enroulement filamentaire, fabriqués par plusieurs organisations et

testés mécaniquement par 1'UDRI.

Aerojet et Brunswick ont utilisé du ruban "prepreg"

pour entourer des bouteilles, et ont rencontré des diffi-

cultés considérables pour mettre ce ruban en place et pour le fixer. Thiokol a appliqué un procédé qui lui est propre pour emmailloter, par voie humide, tant des bouteilles que

des cylindres. Rohr a fabriqué des cylindres épais (30 cou-

ches) par enroulement à sec, suivi d'une imprégnation et d'une réduction de volume une couche sur trois. L'UDRI a fabriqué des cylindres par enroulement humide, suivi d'une réduction de volume après chaque couche ou une couche sur deux. Cette réduction de volume impliquait la présence d'une couche en Nylon pelable, l'entourage manuel par un ruban rétractible perforé, puis une exposition à 66 C dans une atmosphère de vide, pendant une heure. Le procédé appliqué pour fabriquer les cylindres réclamait une somme de travail

extrêmement intense, et exigeant éventuellement une pré-

paration de 8 à 16 heures avant le moulage et le

durcissement consécutif. Les informations de traitement four-

nies dans le rapport précisent que l'enroulement humide

est meilleur que l'enroulement à sec ou enroulement "pre-

preg" Dans tous les cas de l'art antérieur susmentionnés, dans lesquels une fibre de graphite était imprégnée d'une

résine "PMR" après l'emmaillotage et avant la polymérisa-

tion, il était nécessaire soit de réduire le.volume, soit de compacter après chaque formation d'une à trois couches, pour empêcher l'apparition de rides. Un autre problème soulevé par certaines des résines utilisées, par exemple la "PMR15" faisant appel à une "prepreg" sèche, résidait dans la difficulté à maintenir fermement les fibres contre le mandrin en acier, et dans le "mou" pris par certaines de ces fibres au cours de l'enroulement. L'apparition de rides constatée dans de nombreux cylindres et bouteilles sous

pression a été attribuée, en partie, à une variation de volu-

me affectant la résine polyimide, suite à des réactions chimiques et à une perte de solvant. Si l'on tient compte de la préparation supplémentaire ne concernant pas d'autres résines, l'enroulement filamentaire au moyen de la "PMR15" ne serait pas très économique en appliquant les procédés précités. Les phénomènes cinétiques de la réaction d'imidisation des résines polyimides "PMR" sont exposés par Lauver dans "Kinetics of Imidization and Crosslinking in PMR Polyimide Resin", Journal of Polymer Science, Polymer Chemistry Edition, volume 17, 1979, pages 2529-2539. Lauver indique

que la réaction d'imidisation comprend deux étapes distinc-

tes. Le taux de réaction est initialement rapide, puis dé-

croit dramatiquement au-fur et à mesure que cette réaction

se poursuit. Il est précisé que le déroulement de la réac-

tion en deux étapes offre un avantage appréciable pour le

traitement de résines polyimides "PMR", car il permet d'obte-

nir une ségrégation progressive ou une imidisation partielle par un choix de la température, plutôt que par une commande

précise du temps d'exposition.

Youngs a présenté une approche de l'enroulement fila-

mentaire de rubans thermoplastiques "prepreg" dans "Advanced Composite Thermoplastics: A New Structural Material", Society

of Plastics Engineers 43rd Annual Technical Conference Pro-

ceedings, 20 avril - 2 mai 1985, pages 1181-1183. A l'inver-

se des résines thermodurcissables, les matières thermoplas-

tiques ne renferment typiquement aucun solvant et ne sont soumises à aucune réaction de polymérisation. Cependant, elles

présentent bel et bien de très fortes viscosités à la tem-

pérature ambiante, pouvant être diminuées par apport de chaleur. La suggestion consistait à installer une source de chauffage de haute intensité (infrarouges, ultrasons, gaz chauds ou laser), pour chauffer le ruban "prepreg" jusqu'à la température de fusion de la résine. Bien qu'on

ait prétendu que l'enroulement filamentaire d'un ruban thermo-

plastique "prepreg" avait été effectué en mettant cette approche en pratique, il n'a été présenté ni photographies, ni paramètres opératoires, ni propriétés du matériau ou

autres preuves.

Des matériaux composites en résine polyimide et en fi-

bres de carbone réduisent, d'une manière hautement efficace, le poids et les coûts de moteurs d'aéronefs. Alors que les matériaux de base sont synonymes d'un fort investissement, le procédé nécessaire pour les transformer en un composite est encore plus onéreux. L'on dispose de plusieurs procédés

économiques, qui réclament moins de travail que la prépa-

ration du "prepreg" et la cuisson à l'autoclave tradition-

nelles. L'un de ces procédés est l'enroulement filamentaire.

Néanmoins, il est difficile d'obtenir des composites de

haute qualité et exempts de vides lorsque l'enroulement fila-

mentaire s'opère avec un polyimide renfermant un fort pour-

centage de substances volatiles, tel que la "PMR15".

Les substances volatiles renfermées par la "PMR15" proviennent de deux sources: (1) le méthanol, qui est employé comme solvant dans la synthèse des résines et est dégagé par les monomères lorsqu'ils entrent en réaction; et (2) l'eau

qui se condense au cours de l'imidisation de la résine sol-

vatée. A des températures de traitement typiques, l'eau et le méthanol sont l'un et l'autre en phase vapeur. Si les substances volatiles favorisent l'écoulement, elles n'en sont pas moins emprisonnées à l'intérieur du composite, en provoquant des vides dégradant les propriétés, ainsi que

des fissures dues au retrait. Le piégeage de substances vo-

latiles est tout particulièrement gênant lors d'un traitement par parois chaudes. La résine qui se trouve à proximité des

parois entre prématurément en réaction au cours du traite-

ment, et forme une barrière empêchant la diffusion des sub-

stances volatiles vers l'extérieur. De plus, la masse con-

sidérable et la perte de volume associée provoquent un re-

trait et un voilement des fibres. Une forme typique d'enrou-

lement filamentaire, matérialisée par un corps en révolution,

ne fait qu'exacerber ces problèmes.

La part de solvant renfermée par les résines rencon-

trées dans des mèches "prepreg" est inférieure à environ 30 % en poids de la résine. Typiquement, les niveaux de solvant sont compris entre environ 8 % et 11 % en poids de la résine, étant donné qu'une partie du solvant est éliminée avant l'expédition.

TENEUR DE L'INVENTION

Un objet de la présente invention consiste à obtenir

la haute performance de composites résines-fibres, en appli-

quant un procédé amélioré et économique faisant appel à l'enroulement filamentaire. La présente invention vise, par ailleurs, à fournir un appareil perfectionné qui prépare des méches de fibres

imprégnées à l'enroulement filamentaire.

Il s'est précisément révélé que les objets de la pré-

sente invention peuvent être atteints au moyen d'une mèche de fibres renfermant au moins une résine de condensation solvatée, ou imprégnée par cette résine, en soumettant tout

d'abord la mèche imprégnée à au moins un traitement thermi-

que à deux étapes, afin d'éliminer du solvant et de provo-

quer la réaction partielle de la résine; puis en exposant la mèche traitée à une température au moins aussi élevée que la température de cette mèche à l'étape finale du traitement thermique, tout en enroulant la mèche sous l'action d'une

force de compactage.

L'une des formes de réalisation de l'appareil selon la présente invention comprend, en succession, un premier moyen chauffant pour chauffer une mèche de fibres imprégnée d'une résine de condensation solvatée, jusqu'à une première température propre à éliminer du solvant; un deuxième moyen

chauffant pour chauffer la mèche jusqu'à une deuxième tempé-

rature supérieure à la première température, afin de provo-

quer au moins une réaction partielle de la résine; un troi-

sième moyen chauffant pour chauffer la résine et la mèche jusqu'à une troisième température au moins aussi élevée que la deuxième température, tout en procédant à l'enroulement filamentaire de la mèche; et un moyen de mise en mouvement de la mèche, pour déplacer successivement cette mèche à

travers lesdits premier, deuxième et troisième moyens.

L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des

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dessins annexes sur lesquels:

la figure 1 est une vue schématique de l'une des for-

mes de réalisation de l'appareil de la présente invention,

conçu pour la mise en oeuvre du procéde conforme à l'inven-

tion; et

la figure 2 est une représentation fragmentaire sché-

matique d'une autre forme de réalisation de l'appareil selon l'invention.

DESCRIPTION DES FORMES DE REALISATION PREFERENTIELLES

Lors de la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, il s'est révélé que les objets recherchés sont atteints lorsque la mèche est imprégnée d'un produit condensé à base de résine solvatee; lorsqu'au moins une partie du

solvant est éliminée; et lorsque la résine entre partiel-

lement, mais pas totalement en réaction "in situ" sur la

mèche de fibres, par exemple dans un évaporateur-réacteur.

De telles résines englobent typiquement des résines de con-

densation de monomères telles que les résines polyimides ou phénoliques ainsi que les résines époxydes solvatees, bien qu'il soit préférable d'utiliser les résines polyimides ou phénolees, à cause de leurs températures de service plus élevées. Des résines polyimides appropriées sont celles du type "PMR", comme la "PMR15" présentant un poids moléculaire de 1500, la "PMR10" présentant un poids moléculaire de 1000, et la "LARC 160" présentant un poids moléculaire de 1600. Le solvant employé dans ces résines est du méthanol, ou bien un mélange de méthanol et de propanol. Ces résines

doivent subir une imidisation et une réticulation (c'est-a-

dire entrer en réaction) pour constituer des matrices compo-

sites utilisables. Bien que la réticulation ne soulève pas

de problèmes inhabituels, la réaction, par exemple l'imidi-

sation, se traduit par la condensation de molécules d'eau

qui peut impliquer une perte de masse et de volume considé-

rable, des vides, des substances volatiles piégées, un re-

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trait et une déformation des fibres. Il en résulte fréquem-

ment un composite a propriétés médiocres, ou bien l'appll-

cation d'un procédé compliqué et onéreux, entrainant une ségrégation excessive, un transfert des substances volatiles et une migration, ainsi qu'un éventuel redéversement de résine dans les vides et les fissures. Des résines appropriées de type phénolique sont des produits de la réaction de condensation du phénol et du formaldehyde avec un catalyseur acide (ce qui donne une novolaque) ou avec un catalyseur alcalin (ce qui donne un résol). La part de solvant (acétone ou méthanol) renfermée par la plupart des résines est, en général, d'au moins environ 30 Z ou plus en poids de la

résine, pour que les résines demeurent en solution. De pré-

férence, la part de solvant renfermée se situe dans la plage comprise entre 30 Z et 50 Z en poids de la résine. Le procédé conforme à la présente invention est au premier chef utile avec des parts de solvant renfermées qui excèdent environ % en poids, valeur au-dessous de laquelle le procédé

n'est généralement pas nécessaire.

Dans le procédé selon la présente invention, le solvant incorporé dans la résine est éliminé et la réaction de cette résine est provoquée, d'une manière maitrisée, au fur et à mesure que les mèches franchissent une série d'au moins deux zones de chauffage, par exemple, dans l'évaporateurréacteur

conforme a l'invention. Le poids de la résine est générale-

ment diminué de 30 Z, ce qui élimine efficacement au moins

la moitié du solvant.

Les mèches de fibres employées sont de préférence des mèches de fibres en carbone, bien qu'on puisse également utiliser des mèches de fibres de verre ou d'aramides, voire d'un type similaire, lorsque la robustesse et la flexibilité structurelles conférées par les mèches de fibres de carbone

ne sont pas impératives.

Les mèches de fibres imprégnées de résine, utilisées

dans la présente invention, peuvent être apprêtées en dépo-

sant une quantité suffisante de résine solvatée sur la mèche de fibres, pour permettre à cette mèche d'être imprégnée par la résine, comme cela est connu et habituel dans l'art

antérieur. De préférence, la quantité déposée est suffi-

sante pour imprégner la mèche, mais elle est inférieure à la quantité susceptible de provoquer, sur la surface de la mèche, la présence d'un excès de résine propre à gêner le traitement. L'on fait défiler les mèches de fibres imprégnées de résine à travers un évaporateur-réacteur à plusieurs étages, comprenant par exemple deux étages. D.ans le premier étage, la mèche non retenue, présentant une faible masse, subit un accroissement de température rapide qui élimine au moins une partie du solvant. Le solvant résiduaire, devant être éliminé, est ensuite chassé dans le second étage qui est maintenu à une température supérieure à la température du

premier étage, pour permettre à la résine d'entrer en réac-

tion. La résine présente sur la mèche est soumise à une réaction partielle, mais incomplète, dans le second étage dans lequel elle subit une réaction contrôlée (par exemple une imidisation dans le cas de polyimides) qui dégage des produits de condensation. De tels produits sont adéquatement évacués de l'appareil par un gaz non oxydant en circulation, par exemple un gaz inerte. Le solvant et les produits de

condensation peuvent être balayés hors de l'évaporateur-

réacteur en entretenant, dans ce réacteur, une circulation à contrecourant du gaz précité dans l'une des formes de

réalisation de l'appareil selon l'invention.

Dans le premier étage, la température est maintenue à une valeur suffisamment élevée pour éliminer du solvant qui n'est pas lié chimiquement à la résine. Pour un solvant tel que du méthanol, la plage préférentielle est d'au moins 80 C, et n'excède pas 130 C. Dans un exemple utilisant de la résine "PMR15" dans les mèches, ces mèches défilent à travers le premier étage à

une vitesse d'environ 1 à 6 millimètres/seconde, préféren-

tiellement de 2,6 millimètres/seconde. La longueur du premier étage n'est pas critique, bien que, de préférence, elle n'excède pas 400 millimètres lorsqu'un temps de séjour d'environ 150 secondes est nécessaire pour éliminer du sol- vant. De préférence, la durée de séjour dans le premier étage n'excède pas environ 7 minutes et est comprise, en général, entre environ 0,6 minute et 7 minutes. Il est possible de

faire varier la longueur de l'étage en fonction de la tempé-

rature et de la durée de séjour nécessaires pour supprimer la quantité de solvant souhaitée. En soumettant la mèche de fibres à un chauffage, dans le premier étage, il s'est avéré possible de faire monter la température de la mèche, de la température ambiante à la température du premier étage, selon une progression qui est inférieure à 1 C par seconde afin d'éviter une projection du solvant. Il s'est révélé que, dans cet exemple, des températures excédant environ 150 C ont tendance à provoquer une projection de solvant et à accélérer la réaction trop rapidement. De telles températures élevées sont génératrices de problèmes, étant donné qu'il est difficile de commander la vitesse d'évaporation du solvant

et les conditions de réaction.

L'évaporateur-réacteur de la présente invention peut être maintenu sous une atmosphère de gaz inerte en utilisant

un gaz inerte peu onéreux, typiquement de l'azote. La cir-

culation de ce gaz s'opère, de préférence, à contre-courant de la direction de déf-ilement de la mèche. Le gaz inerte peut être délivré à partir de l'extrémité évacuation du dernier étage et circuler continûment, à contre-courant, à travers tous les étages. En variante, ce gaz inerte peut

être introduit dans l'appareil en divers emplacements inter-

médiaires, de préférence à contre-courant.

Dans une forme de réalisation préférentielle, la tem-

pérature entretenue dans le second étage peut être comprise entre environ 110 C et environ 200 C. De préférence, dans le cas de la résine "PMR15", la plage de températures se

situe en deçà de 180 C. Il s'est avéré que la longueur to-

tale des deux étages, dans le tube de chauffage, peut être

légèrement modifiée en fonction de la durée de séjour sou-

haitée dans chaque étage, bien que, de préférence, la lon- gueur du second étage n'excède pas 1 mètre lorsqu'on opère à une vitesse de 2,6 mm/sec et lorsque la durée de séjour requise est inférieure à environ 7 minutes, de préférence

d'environ 2,5 minutes à 7 minutes.

Les mèches de fibres imprégnées de résine et traitées

thermiquement, qui sortent du second étage du tube de chauf-

fage, sont mises en contact avec un rouleau de compactage chauffé maintenu à une température au moins aussi élevée que celle utilisée dans le second étage. De préférence, la plage

de températures dans laquelle le rouleau de compactage chauf-

fé est maintenu se situe entre 200 C et 270 C. Il a été établi que la température du rouleau doit être au moins aussi

élevée que la température de réaction, à l'intérieur du der-

nier étage de l'évaporateur-réacteur, de façon à ramollir la résine et à en permettre un léger écoulement. La mèche de fibres imprégnée de résine entre au contact du rouleau chauffé lorsque cette mèche est enroulée surle bobinoir. Le rouleau est positionné de manière qu'il applique, à la mèche de fibres imprégnée de résine, au moins une légère force

substantiellement perpendiculaire à la surface de cette mè-

che au cours de l'enroulement de celle-ci sur le bobinoir, en contribuant ainsi au compactage de la mèche de fibres sur ce bobinoir. La structure compactée renferme une faible part en substances volatiles et manifeste un retrait faible,

voire nul après le compactage.

L'une des formes de réalisation de l'appareil per-

fectionné,pour mettre en oeuvre le procédé de la présente invention, comprend un système étagé délivreur de résine et

de fibres, un évaporateur-réacteur, un bobinoir d'enroule-

ment et, de manière classique, un mécanisme à mouvement

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transversal. Ces éléments constitutifs sont montés sur un

bâti pouvant être aisément modifié et ajusté.

La figure i est une représentation schématique de l'une des formes de réalisation de l'appareil conforme à l'invention. Cet appareil, globalement repéré par la réfé-

rence 10, est équipé d'un dispositif 6 de montage et de dévi-

dage ou d'alimentation délivrant une mèche de fibres 7, comme cela est classique dans le domaine de l'enroulement de mèches de fibres. Un dispositif tendeur, installé à la suite

du dispositif de montage et de dévidage, comprend typique-

ment une paire de barres 11 et 12 préférentiellement consti-

tuées ou revêtues d'un matériau du type polytétrafluoréthyléne, tel que du Téflon. Typiquement, la première barre 11 de la paire est entraînée à une moins grande vitesse que celle de l'enroulement de la mèche, et dans le sens opposé à celui du mouvement de cette mèche, afin d'opposer à celle-ci une résistance par frottement. L'autre barre 12, munie de gorges pour guider la mèche, peut tourner librement dans la même

direction et à la même vitesse que cette mèche. Un dynamo-

mètre de traction 13 mesure la tension de la mèche. L'on

peut utiliser un dispositif de lecture mécanique ou électro-

nique, de type analogique ou numérique, compatible avec un

système de commande par ordinateur. Un système 14 d'alimen-

tation en résine, situé dans la continuité du dispositif tendeur, comprend un réservoir 15 à résine muni d'un tube 16 délivreur de résine. Au voisinage immédiat du réservoir , mais à distance de celui-ci,-se trouve une tige fixe de

déploiement 17 sur laquelle la mèche est tirée, ce qui pro-

* voque l'ouverture de cette mèche en éventail, et favorise par conséquent l'humectage par la résine. Cette résine est délivrée à partir du réservoir 15. Le tube délivreur 16

est implanté, par exemple, à approximativement 1-2 mm au-

dessus de la mèche ouverte en éventail. Un rouleau 18 rassem-

bleur de fibres, succédant directement au réservoir 15 à résine, ne se contente pas de compacter la mèche, mais

exprime également la résine excédentaire.

L'appareil de la figure 1 est muni d'un évaporateur-

réacteur qui est globalement repéré par 19, et qui suit

directement le rouleau 18 rassembleur de fibres. De préféren-

ce, l'évaporateur-réacteur 19 se compose de deux fours tubulaires 8A et 8B à résistances, du type à convection, matérialisant respectivement des premier et second moyens chauffants montés en tandem, comme illustré; un conduit ou tube central longiligne 20, sensiblement aligné avec le

rouleau 18, parcourt les deux fours et est conçu pour per-

mettre à la mèche de les traverser. Des barrettes 9 de chauf-

fage résistif, représentées fragmentairement sur la figure 1, peuvent par exemple être prévues. Le conduit 20 comprend une ouverture 20a à sa première extrémité ou extrémité amont, et une ouverture 20b à sa seconde extrémité ou extrémité aval. Quatre thermocouples 21a, 21b, 21c et 21d, fabriqués typiquement en du chromel-alumel, sont installés à des points de raccordement le long de la face externe du tube et à l'intérieur des fours pour favoriser la surveillance et la commande de ces fours, par l'intermédiaire d'une unité 22 de commande des fours d'un type bien connu dans l'art antérieur. Dans la forme de réalisation de la figure 1, l'unité 22 de commande des fours est connectée par des conducteurs, tels que 22a et 22b pour le four 8A et 22c et 22d pour le four 8B, en vue d'une commande du chauffage des fours en fonction d'une allure présélectionnée, et en réaction à des signaux provenant des thermocouples. Une commande et une détection de ce genre peuvent être effectuées en utilisant des dispositifs électriques bien connus, et couramment employés dans le domaine considéré. L'évaporateur-réacteur est doté de moyens d'évacuation repérés par 23a et 23b sur la figure 1 et par 23 sur'la figure 2, de telle sorte que les gaz de fumées puissent quitter l'évaporateur-réacteur et être ensuite collectés et condensés, de préférence d'une manière contrôlée, en vue d'un traitement ultérieur tel

qu'une-analyse, une surveillance de processus et/ou une pro-

tection de l'environnement.

Dans la continuité directe de l'évaporateur-réacteur 19, l'on a installé un bobinoir 24 entrainé à une vitesse présélectionnée afin de tirer la mèche à travers l'appareil, ainsi qu'un mécanisme 25 à mouvement transversal dans lequel le mouvement transversal est par exemple engendré au moyen d'une vis à billes, et une inversion du mouvement est obtenue par des interrupteurs de fin de course. Un moyen équilibré et chauffé d'enroulement et de stabilisation de la mèche, comme par exemple un compacteur 26 renfermant un troisième moyen chauffant, ramollit la mèche imprégnée de résine et

traitée thermiquement, et la presse sur la surface de l'en-

roulement précédent.

Une autre forme de réalisation de l'évaporateur-

réacteur selon la présente invention est illustrée fragmen-

tairement par la vue schématique de la figure 2, dont les

éléments constitutifs portent les mêmes références numé-

riques que les éléments susdécrits. Sur cette figure 2, l'évaporateurréacteur 19-se trouve à l'intérieur d'une

enceinte 30, telle qu'un boitier en matière plastique trans-

parente percé d'ouvertures adéquates pour permettre le pas-

sage d'une mèche de fibres 7. Sur la figure 2, le moyen d'évacuation 23 est ménagé dans une paroi de l'enceinte 30, à un emplacement propre à évacuer les gaz de l'extrémité

amont du premier moyen chauffant ou four 8A.

Les exemples ci-après exposent différents modes de

mise en oeuvre du procédé de la présente invention.

Exemple 1 - Une mèche de fibres en carbone 12K, main-

tenue sous une tension d'environ 7N, a été déployée latéra-

lement en éventail. Une solution de résine polyimide "PMR15" renfermant 50 % de méthanol a été déposée sur la mèche en

une proportion d'environ 0,2 ml par mm de mèche, en pulvé-

risant la résine sur la mèche déployée, à partir d'un réser-

voir fermé maintenu sous une pression d'azote gazeux de

kPa à 100 kPa, de manière à saturer la mèche de fibres.

Le tube délivreur de résine se trouvait à environ 1 mm-2 mm

au-dessus de la mèche ouverte en éventail, afin de minimi-

ser l'exposition de la résine à l'air. Ensuite, l'on a fait passer la mèche déployée au-dessous d'un rouleau en Téflon, pour rassembler les fibres et leur redonner la forme d'une mèche, ainsi que pour débarrasser cette mèche de la résine

libre en excès. La mèche de fibres remise en forme, impré-

gnée de résine, a été promenée à travers un four constitué

d'une paire de fours tubulaires reliés en tandem, pour con-

férer deux étages thermiques. Les fours combinés présentaient une longueur d'approximativement 800 mm, et un diamètre interne d'environ 25 mm. Un gaz non oxydant ou gaz inerte,

tel que de l'azote à la température ambiante, a été intro-

duit dans le four, par exemple au moyen d'un tube 28 illus-

tré sur les dessins et situé, comme représenté, à environ

mm en amont de la sortie aval des fours.

La longueur du premier étage était définie par la

distance selon laquelle, à l'intérieur du four, la-tempéra-

ture de la paroi atteint pour la première fois 110 C, tem-

pérature suffisamment élevée pour éliminer du solvant sans déclencher aucune imidisation substantielle. La durée de sejour, dans l'étage, est fonction de la longueur de cet

étage et de la vitesse à laquelle la mèche imprégnée de ré-

sine chemine à travers le four. Dans l'exemple considéré,

la mèche parcourait le four à une vitesse de 2,35 mm/sec.

La longueur du premier étage était de 300 mm, et la durée de séjour était de 128 secondes. Dans le second étage, d'une longueur de 500 mm et dans lequel régnait une température

maximale de 138 C, la durée de séjour était de 212 secondes.

La mèche sortant du second étage a été enroulée, sous

la forme d'un toron de 20 mm de largeur, sur un mandrin-

bobinoir circulaire de 130 mm de diamètre, i la température

ambiante. La mèche imprégnée de résine et traitée thermique-

ment a été pressée sur la surface de l'enroulement pré-

cédent, par l'intermédiaire d'un bloc de bourrage équilibré matérialisé par le compacteur 26 sur la figure 1, et monté de manière à appliquer une force perpendiculairement à la surface du mandrin-bobinoir. Ce bloc a été maintenu à une

température d'environ 220 C qui a ramolli la résine à pré-

sent thermoplastique, permettant ainsi son fluage et favori-

sant le compactage. Le toron à enroulement filamentaire a été moulé, recuit à une température de 315 C, puis soumis à un examen qualitatif. Ce toron n'accusait pas de rides dues au retrait, et présentait les propriétés suivantes: densité spécifique: 1,45; poids de résine: 24 %; volume des fibres: 62 %; et volume des vides: 11%, inférieur

au volume maximal de 12 % souhaité dans les pièces produites.

Exemple 2 - Le mode opératoire de l'exemple 1 a été

répété, sauf que les étages thermiques étaient différents.

Dans l'exemple 2, la mèche a traversé le four à une vitesse de 2,63 mm/sec. La longueur du premier étage était de 375 mm et la durée de séjour était de 143 secondes. Le second étage, dans lequel régnait une température maximale de 131 C, présentait une longueur de 425 mm et la durée de séjour

était de 161 secondes.

Le toron à enroulement filamentaire résultant de l'exemple 2 a été moulé et recuit comme dans l'exemple 1. Ce toron n'accusait pas de rides dues au retrait, et présentait les propriétés suivantes: densité spécifique: 1, 45; poids de résine: 33 %; volume des fibres: 55 %; et volume des

vides: 8 %.

Exemple 3 - L'on a répété le mode opératoire de l'exem-

ple 1, sauf que les étages thermiques étaient différents.

Dans l'exemple 3, la mèche a parcouru le four à une vitesse de 2,70 mm/sec. Dans le premier étage, d'une longueur de mm, la durée de séjour était de 42 secondes. Dans le

second étage, d'une longueur de 685 mm et dans lequel ré-

gnait une température maximale de 147 C, la durée de séjour

était de 252 secondes.

Le toron à enroulement filamentaire a été moulé et recuit, comme dans les exemples 1 et 2. Ce toron n'accusait pas de rides dues au retrait, et présentait les propriétés suivantes: densité spécifique: 1,50; poids de résine:

28 %; volume des fibres: 61%; et volume des vides: 7 %.

Bien que la présente invention ait été décrite en se

référant à des exemples et à des formes de réalisation spé-

cifiques, il est bien évident que d'autres exemples peuvent être appliqués. Ainsi, bien qu'on ait décrit un chauffage

par convection, d'autres modes de chauffage peuvent égale-

ment être employés, tels que les infrarouges, les micro-

ondes, le laser, etc. En outre, le compactage des mèches

sur le mandrin-bobinoir peut être obtenu en utilisant di-

verses combinaisons d'une chaleur e.t d'une pression agis-

sant dans la zone dans laquelle la mèche est en contact

avec le mandrin au cours de son bobinage.

La présente invention permet à une maîtrise des pertes

de masse et de volume de s'opérer dans les limites accep-

tables d'un retrait consécutif, sans les inconvénients sus-

décrits rencontrés dans l'art antérieur, étant donné que les mèches imprégnées sont relativement lâches, et que les trajets de diffusion du solvant et de l'eau condensée sont

nettement plus courts que ce qu'ils seraient aprês le com-

pactage.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent

être apportées à l'invention telle que décrite et repré-

sentée, sans sortir de son cadre.

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Procédé de production d'éléments à enroulement fi-

lamentaire, à partir d'une mèche de fibres qui renferme une résine de condensation solvatée, procédé caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à: éliminer, à une première température, au moins une partie du solvant renfermé par la résine solvatée; provoquer la réaction au

moins partielle, mais non complète de la résine, puis élimi-

ner des produits de condensation à une deuxième température supérieure à la première température; et enrouler la mèche tout en chauffant cette mèche à une troisième température

correspondant au moins à la deuxième température.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par

le fait que le solvant et les produits de condensation éli-

minés sont collectés et condensés, en vue d'un traitement

ultérieur.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élimination du solvant et la réaction de la résine, préalablement à l'enroulement, sont effectuées dans

une atmosphère non oxydante.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première température se situe dans la plage

comprise entre 80 C et 165 C, et représente une tempéra-

ture ne provoquant aucune projection du solvant; et par le fait que la deuxième température se situe dans la plage comprise entre 110 C et 200 C.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la première température n'excède pas environ C; et par le fait que la deuxième température n'excède pas environ 180 C.

6. Procédé de production d'éléments constitués d'une

mèche de fibres imprégnée d'au moins une résine de conden-

sation solvatée, préalablement à la polymérisation, procédé

caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consis-

tant à: mettre la mèche de fibres en contact avec au moins une résine de condensation solvatée, afin d'imprégner cette mèche de fibres; soumettre la mèche de fibres imprégnée à au moins deux étages de chauffage dans une atmosphère non oxydante, le premier étage étant maintenu à une première température suffisamment élevée pour éliminer au moins une partie du solvant pendant la durée de séjour de la mèche à l'intérieur de ce premier étage, et le dernier étage étant

maintenu à une seconde température plus élevée que la pre-

mière température et suffisamment élevée pour provoquer au moins partiellement, mais non totalement, la réaction de la résine de condensation pendant la durée de séjour de la mèche à l'intérieur de ce dernier étage; exposer la mèche, sortant du dernier étage, à une température au moins aussi élevée que la seconde température; et enrouler la mèche sous l'action d'une force de compactage, tout en maintenant

au moins cette mèche à la seconde température.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par

le fait que la première température est comprise entre en-

viron 80 C et 165 C, la seconde température étant comprise entre environ 110 C et 200 C.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la mèche de fibres est retenue dans le premier étage de chauffage pendant environ 0,5 minute à 7 minutes, puis est ensuite retenue dans le dernier étage de chauffage

pendant environ 2,5 minutes à 7 minutes.

9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la force de compactage appliquée à la mèche est appliquée à une température comprise entre 200 C et 270 C.

10. Appareil d'enroulement filamentaire de mèches de fibres imprégnées d'une résine de condensation solvatée,

appareil caractérisé par le fait qu'il comprend: un évapo-

rateur-réacteur (19) présentant, successivement: (a) un -

premier moyen chauffant (8A) conçu pour chauffer la mèche de fibres (7) jusqu'à une première température propre-à éliminer du solvant de la résine, et (b) un deuxième moyen chauffant (8B) conçu pour chauffer la mèche (7) jusqu'à une deuxième

température supérieure à la première température et provo-

quant, au moins partiellement,une réaction de la résine; un troisième moyen chauffant conçu pour chauffer la mèche (7), provenant de l'évaporateur -réacteur (19),jusqu'à une

troisième température au moins aussi élevée que la deuxiè-

me température, avec enroulement filamentaire simultané de ladite mèche; ainsi qu'un moyen (25) de mise en mouvement de la mèche (7), en une succession opérationnelle, à travers

lesdits premier, deuxième et troisième moyens chauffants.

11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les premier et deuxième moyenschauffants

consistent en des fours tubulaires successifs (8A, 8B) par-

courus par un conduit (20) qui est conçu pour permettre le passage de la mèche (7) à.travers lesdits fours, et présente

une ouverture (20a, 20b) à chacune de ses extrémités respec-

tivement amont et aval, ce conduit (20) traversant de part

en part lesdits fours tubulaires successifs (8A, 8B).

12. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il présente un moyen (28) pour introduire un

gaz non oxydant dans le conduit (20).

13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le gaz est introduit, dans le conduit (20), au voisinage immédiat de l'extrémité aval et peut circuler

vers l'extrémité amont.

14. Appareil selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens d'évacuation (23a, 23b), raccordés au conduit (20) à mi-chemin entre ses extré-

mités amont et aval.

15. Appareil selon la revendication 11, caractérisé

par le fait qu'il présente un moyen d'évacuation (23) occu-

pant une position propre à évacuer du gaz de l'extrémité

amont du premier moyen chauffant (8A).

16. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il présente, par ailleurs, un moyen (24, 26) d'enroulement et de compactage de la mèche, qui reçoit la mèche (7) provenant de l'évaporateur-réacteur (19) et qui renferme un bloc de bourrage équilibré, chauffé par le

troisième moyen chauffant.

17. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il présente, par ailleurs, un moyen (24, 26) d'enroulement et de compactage de la mèche, qui reçoit la mèche (7) provenant de l'évaporateur-réacteur (19) et qui

renferme un rouleau, chauffé par le troisième moyen chauffant.

18. Appareil pour enrouler des mèches de fibres impré-

gnées de résine, appareil caractérisé par le fait qu'il comprend, en succession: un dispositif (6) d'alimentation en mèche de fibres; un système (14) d'alimentation en résine, muni de moyens (15, 16) pour imprégner la mèche de fibres (7); un évaporateur-réacteur (19) renfermant, en succession (a) un premier moyen chauffant (8A) conçu pour chauffer ladite mèche de fibres (7) jusqu'à une première température

propre à éliminer du solvant de la résine, et (b) un deuxié-

me moyen chauffant (8B) conçu pour chauffer cette mèche de fibres (7) jusqu'à une deuxième température plus élevée que

la première température et provoquant, au moins partielle-

ment, une réaction de la résine; un moyen (24, 26) d'enrou-

lement et de compactage de la mèche, renfermant un troisième

moyen chauffant, conçu pour chauffer ladite mèche (7) prove-

nant dudit évaporateur-réacteur (19) jusqu'à une troisième

température au moins aussi élevée que la deuxième tempéra-

ture, et pour comprimer la mèche au cours de l'enroulement; et un moyen (25) pour mettre la mèche (7) en mouvement à

travers ledit appareil (10), dudit dispositif (6) d'alimen-

tation en mèche de fibres jusqu'audit moyen (24, 26) d'enrou-

lement et de compactage de la mèche.

19. Appareil selon la revendication 18., caractérisé par le fait que les premier et deuxième moyens chauffants

consistent en des fours tubulaires successifs (8A, 8B) par-

couruspar un conduit (20) qui est conçu pour permettre le passage de la mèche (7) à travers ces fours et qui est muni

d'une ouverture (20a, 20b) à chacune de ses extrémités res-

pectivement amont et aval, ce conduit (20) parcourant de

part en part lesdits fours tubulaires successifs (8A, 8B).