FR2862987A1 - Mat de verre aiguillette - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de préparation d'un mat comprenanta) la dépose ou projection de fils sur un tapis défilant pour former une nappe desdits fils entraînée par ledit tapis, puisb) l'aiguilletage par des aiguilles à barbes traversant ladite nappe et se déplaçant dans la direction de la nappe à sensiblement la même vitesse qu'elle lorsqu'elles la traversent, avec une densité de coups allant de 1 à 25 coups par cm2.Ce procédé est rapide et efficace et le mat obtenu se laisse facilement déformer à la main pour être placé dans un moule de fabrication de composite par injection de résine.

Description

2862987 MAT DE VERRE AIGUILLETE
L'invention concerne la fabrication de mats de fils de verre utilisables pour 5 le renforcement de matériaux composites préparés notamment par injection (procédé dit RTM de l'anglais Resin Transfer Moulding ).
Un mat pour le renforcement de matériaux composites doit présenter de préférence les propriétés suivantes: avoir une cohésion suffisante pour être enroulable, déroulable 10 (stockage), découpé en morceaux, tenu à la main et placé à la main dans le moule, ne pas piquer les mains quand on le manipule ou place dans le moule, se laisser facilement déformer à la main lorsqu'on le place manuellement dans le moule, - conserver correctement la forme donnée à la main dans le moule, se laisser imprégner par la résine d'injection (généralement du type polyester) le plus facilement possible, avoir une structure la plus homogène possible, en particulier sans trous ou autre particularité en surface pouvant provoquer une marque en 20 surface du composite final, renforcer le plus possible le composite.
On souhaite de plus pouvoir le fabriquer à la plus grande vitesse possible, avec le moins d'étapes possibles, en utilisant le moins de produits chimiques possibles.
Les mats pour ce type d'application passent généralement par la dépose ou projection de fils fraîchement ensimés sur un tapis défilant. Cependant, le lit de fils n'a à ce stade pas de consistance et ne peut pas être manipulé. Il ne peut pas non plus être enroulé ni déroulé car ses différentes couches de fils se mélangeraient.
On doit donc le lier, soit chimiquement, soit mécaniquement.
Pour le lier chimiquement, on lui applique un liant chimique du type thermoplastique ou thermodurcissable, généralement en poudre, et l'on procède ensuite à un traitement thermique qui fond le thermoplastique ou polymérise le thermodurcissable et finalement après refroidissement crée des pontages entre les fils. Cependant, ce liant confère un effet ressort à la structure du mat qui a alors tendance à ne pas maintenir certaines formes moins progressives (dans les coins du moule par exemples). D'autre part, on souhaite limiter l'usage de produits chimiques dans un esprit de respect de l'environnement. De plus, le traitement thermique de fusion du thermoplastique est à une température relativement élevée (220-250 C) ce qui conduit à une cuisson sévère de l'ensimage rendant les fils donc le mat plus raide et plus difficile à déformer (le réseau de verre est alors bloqué).
Pour lier mécaniquement un mat, on peut lui faire subir un aiguilletage classique. Cependant, cela conduit généralement à la cassure de fils, provoquant une baisse des propriétés mécaniques, ainsi qu'à la formation de pointes sortant d'au moins une face du mat. Ces pointes piquent alors les mains des manipulateurs. De plus, comme le mat avance alors que les aiguille plantées dans le mat sont fixes par rapport à un axe vertical, cela provoque des perforations bien plus importantes que la section des aiguilles et cela tend à tordre les aiguilles. Ces perforations marquent la surface, ce qui se traduit par des défauts de surface dans la pièce finale. En effet, ces trous se remplissent de résine et du fait du retrait de la résine après polymérisation, des creux restent visibles en surface.
On connaît les mats comprenant une âme centrale en fibres frisées de polypropylène (PP) et des couches externes de fils de verre coupés, le tout étant lié par une couture en fil synthétique comme en polyester (PET) . La fibre frisée tend à donner du volume au mat pour faciliter la pénétration de la résine et remplir l'entrefer du moule (espace entre les deux parties métalliques du moule). Cependant, ni le PET, ni la fibre de PP ne renforcent le composite. De plus, la couture est visible dans le composite final et les aiguilles utilisées pour la couture provoquent par ailleurs des trous en surface. Ces trous se remplissent de résine et du fait du retrait de la résine après polymérisation, des creux restent visibles en surface.
Le US 4277531 (ou FR 2463221) enseigne l'aiguilletage d'un mat de brins continus de fibres de verre ( continuous glass fiber stand ) produisant typiquement 5 à 8% de filaments rompus. L'aiguilletage produit 200 à 600 pénétrations par 6,45 cm2 (c'est-à-dire par inch au carré), soit 31 à 93 pénétrations par cm2. La vitesse de fabrication est nécessairement très faible (de l'ordre de 1 à 2 mètres par min).
Le US 4335176 (ou FR 2494632) enseigne un mat aiguilleté de fils de verre continus réalisé en faisant passer un mat de fils de verre continus, nonliés, à travers un métier à feutrer ou une machine classique à aiguilleter équipée d'aiguilles à barbes. Pendant le passage à travers la machine à aiguilleter, le mat est perforé par une série de rangées de ces aiguilles pour enchevêtrer les fils de verre et sectionner les fils afin de fournir un mat mécaniquement assemblé contenant des fils et des filaments courts. Après aiguilletage, l'une des surfaces du mat comporte une accumulation plus dense de fibres saillant de la surface, appelées pointes . L'autre face a 25 à 50% de moins de pointes que la surface dense.
Le US 4404717 (ou FR 2502199) enseigne un procédé de fabrication d'un feutre aiguilleté à partir d'une nappe continue de fibres de verre contenant une quantité notable d'humidité, la nappe subissant un traitement à l'air pour la sécher avant de passer dans l'aiguilleteuse équipée d'aiguilles à crochets. Ce traitement entraîne un plus faible encrassage de la machine d'aiguilletage à cause du liant de l'ensimage des fibres.
L'invention résout les problèmes sus-mentionnés. Selon l'invention, on réalise un aiguilletage très particulier sur le mat, lui donnant suffisamment de consistance, ne cassant pas ou que très peu de fils, et ne formant pas de trous trop importants. Le mat selon l'invention est suffisamment déformable à la main à la température ambiante et il est très perméable à la résine. Selon l'invention, l'aiguilletage est réalisé par des aiguilles se déplaçant en même temps que le mat, avec sensiblement la même vitesse que le mat dans une direction parallèle à la direction de déplacement du mat. De plus, le nombre d'impacts d'aiguille est réduit et est au plus de 25 coups par cm2, et de préférence au plus de 15 coups par cm2, et de manière encore préférée au plus de 10 coups par cm2. Généralement, le nombre d'impact d'aiguille est d'au moins 1 coup par cm2 et de préférence d'au moins 2 coups par cm2.
Ainsi l'invention concerne en premier lieu un procédé de préparation d'un mat comprenant a) la dépose ou projection de fils sur un tapis défilant pour former une nappe desdits fils entraînée par ledit tapis, puis b) l'aiguilletage par des aiguilles à barbes traversant ladite nappe et se déplaçant dans la direction de la nappe à sensiblement la même vitesse qu'elle 5 lorsqu'elles la traversent, avec une densité de coups allant de 1 à 25 coups par cm2.
De préférence, les barbes des aiguilles sont dirigées vers leur support (habituellement appelé planche à aiguilles). De préférence, au moins 1 barbe et de préférence 2 barbes de chaque aiguille traversent à chaque coup l'épaisseur du mat. De préférence, la profondeur de pénétration des aiguilles (longueur d'aiguille sortant du mat après l'avoir traversé) va de 5 à 20 mm. De préférence les aiguilles ont un diamètre (plus petit cercle contenant entièrement toute section de l'aiguille y compris les barbes) allant de 0,2 à 3 mm et de manière encore préférée 0,5 à 1,5 mm. Un tel aiguilletage mène à un mat manipulable, enroulable et déroulable, facilement déformable à la main dans le moule, ne piquant pas les mains, sans marques de trous en surface. Grâce à cet aiguilletage très particulier, on peut faire avancer le mat à de fortes vitesses, par exemple à au moins 2 mètres par minute et même au moins 5 mètres par minute et même au moins 8 mètres par minute. Généralement, la vitesse est d'au plus 35 voire au plus 30 mètres par minute, voir au plus 20 mètres par minute. Lors de la traversée du mat par les aiguilles, des fils sont pris dans les barbes et entraînés pour former des boucles en travers du mat, sans cassure des fils. Ces boucles lient le mat et se laissent facilement déformer tout en conservant la fonction de liant pendant la mise en place dans le moule. Ces boucles ne piquent pas les mains du fait de la non-cassure des fils.
Pour réaliser un tel aiguilletage on peut par exemple utiliser certaines préaiguilleteuses à cylindre normalement conçues pour traiter les feutres de fibres polymère, comme par exemple la machine référencée PA169 ou PA1500 ou PA2000 commercialisée par Asselin (groupe NSC). Dans ce type de machine; les aiguilles décrivent un mouvement elliptique avec une composante horizontale permettant aux aiguilles dans le mat de le suivre dans son déplacement.
Le mat selon l'invention a généralement une masse surfacique allant de 50 à 3000 g/m2. II peut s'agir d'un mat à fils coupés ou d'un mat à fils continus. Ainsi, avant l'aiguilletage, on dépose ou projette sur le tapis défilant en direction de l'aiguilleteuse des fils coupés, généralement de longueur comprise entre 10 et 600 mm et plus particulièrement 12 à 100 mm, ou des fils continus. Dans le cas de fils continus, ceux-ci, dont le nombre peut aller de 5 à 1200, sont projetés sur le tapis défilant par l'intermédiaire d'un bras oscillant transversalement par rapport à la direction de défilement du tapis. Pour la technique de projection de fils continus, on peut par exemple se référer au WO 02084005. Chacun des fils projetés peut comprendre 20 à 500 fibres unitaires. De préférence, le fil a un titre allant de 12,5 à 100 tex (g/km).
La matière constituant les fibres et donc les fils peut comprendre un verre fibrable tel que le verre E ou le verre décrit dans le FR2768144 ou un verre alcalino-résistant dit verre AR, lequel comprend au moins 5% en mole de ZrO2. Notamment l'utilisation de verre AR mène à un mat renforçant efficacement les matrices en ciment. Le verre peut également être exempt de bore. Par ailleurs, on peut également utiliser un mélange de fibres de verre et de fils en polymère comme en polypropylène, notamment les fils mixtes commercialisés sous la marque Twintex par Saint-Gobain Vetrotex France. Les fils utilisés pour réaliser le mat comprennent donc des fibres de verre.
L'invention concerne également un procédé de fabrication de mat comprenant l'étape d'aiguilletage déjà décrite. Avant aiguilletage, les fils coupés ou continus sont déposés ou projetés sur un tapis défilant. A ce stade, les fils peuvent être secs, soit parce qu'ils proviennent de rovings (ou bobines), soit parce qu'ils ont été séchés après ensimage et avant l'aiguilletage selon l'invention. Cependant, la demanderesse a observé qu'il était avantageux que les fils soient humides pour passer dans l'aiguilleteuse. En effet, le passage du tapis (ayant servi à réceptionner les fibres) à l'aiguilleteuse se fait plus facilement du fait que les fils collent un peu entre eux grâce à l'effet collant conféré par le liquide les imprégnant. Cet effet collant peut notamment être celui provenant naturellement de l'ensimage des fibres juste après fibrage. Ainsi, le saut du tapis à l'aiguilleteuse, alors même que les fils ne sont pas encore liés, se réalise de meilleure façon du fait de la cohérence de la nappe grâce à son état imprégné. Si les fils sont secs au départ, on peut même les imprégner volontairement avant l'aiguilletage de façon à faciliter les passages d'un dispositif à l'autre, plus particulièrement le saut du tapis de réception des fibres à l'aiguilleteuse.
Le mat selon l'invention peut subir au moins un séchage selon le cas. Si les fils utilisés sont secs au départ et que l'on n'imprègne les fils par aucun liquide, le séchage n'est pas nécessaire. Le séchage est nécessaire si les fils sont imprégnés d'un liquide à un moment de la fabrication du mat selon l'invention. Généralement, les fils sont fraîchement ensimés au moment de leur utilisation dans le procédé selon l'invention. Ainsi, il est possible de sécher les fils sur le tapis défilant avant l'aiguilletage. Cependant, comme déjà dit, on préfère conserver l'état imprégné pour l'aiguilletage et l'on sèche donc de préférence la nappe de fils seulement après l'aiguilletage. Le séchage peut être réalisé par passage du tapis défilant dans une étuve à une température allant de 40 à 170 C et plus particulièrement de 50 à 150 C. Un tel traitement thermique ne produit pas de durcissement trop fort de l'ensimage des fils qui gardent toute leur souplesse.
Le mat selon l'invention peut être intégré à un complexe comprenant plusieurs couches juxtaposées. Notamment, le mat selon l'invention, dans sa variante utilisant des fils continus, peut constituer la couche à fils continus répartis de façon aléatoire de la structure fibreuse faisant l'objet du WO 03/060218.
Plus particulièrement, le mat selon l'invention peut être incorporé dans un complexe multicouche à la structure suivante: mat selon l'invention + couche de fils coupés d'un côté du mat selon l'invention ou mat selon l'invention + couche de fils coupés des deux côtés dudit mat (complexe à 2 ou 3 couches). Ainsi, il est possible de déposer sur le tapis défilant une première couche de fibres (par exemple: fils coupés par exemple à une longueur entre 12 et 100 mm) puis de déposer sur cette couche les fils pour former le mat selon l'invention, puis de procéder à l'aiguilletage selon l'invention et ainsi lier ensemble par l'aiguilletage les deux couches entre elles. On peut également ajouter une troisième couche textile (par exemple: fils coupés par exemple à une longueur entre 12 et 100 mm) avant l'aiguilletage selon l'invention.
En fin de fabrication du mat, on peut éventuellement procéder à une découpe des bordures du ruban de mat formé, du fait que les bordures peuvent éventuellement présenter une structure ou densité un peu différente de la partie centrale.
On resterait dans le cadre de l'invention si l'on procédait de l'une des façons suivantes: a) en liant les fibres du mat par un liant soluble dans l'eau (exemple: un alcool polyvinylique) avant l'aiguilletage puis en enlevant le liant par dissolution dans l'eau ou dans une solution aqueuse avant l'aiguilletage; b) en liant les fibres du mat par un liant soluble dans l'eau (exemple: un alcool polyvinylique) avant l'aiguilletage, puis en enlevant le liant par dissolution dans l'eau ou dans une solution aqueuse après l'aiguilletage; c) en déposant ou projetant les fils sur un film lui-même reposant sur un tapis défilant, puis en enroulant la nappe de fils non lié en même temps que le film (ce dernier empêchant les différentes couches enroulées de se mélanger), pour un éventuel stockage intermédiaire, puis en déroulant le bicouche film/nappe, en enlevant le film et en remettant la nappe sur un tapis défilant pour la poursuite du procédé selon l'invention; L'invention mène notamment à un mat aiguilleté de fils continus consistant en de la fibre de verre éventuellement ensimée et sans trous d'aiguille visibles à l'oeil nu. Ce mat contient donc un maximum de verre pour renforcer le plus possible le composite, en l'absence de matières synthétiques à base de polymères (PP, polyester, etc) non renforçantes pour le composite, hormis les éventuels composants organiques de l'ensimage des fibres. Ce mat est avantageusement utilisé pour renforcer un composite dans le procédé d'injection en moule fermé (RTM).
La figure 1 représente de façon très schématique le principe de l'aiguilletage grâce auquel les aiguilles accompagnent le mat lorsqu'elles le pénètrent. Le mat 1 avance sous la planche 2 munie d'aiguilles 3 à barbes orientées vers leur support (planche à aiguilles), ladite planche étant animée d'un mouvement à deux composantes, l'une horizontale CH et l'autre verticale CV, grâce à un système de bielles tournant autour d'un point fixe 4. On dimensionne ces différents éléments de la machine pour que la composante horizontale CH soit sensiblement identique à la vitesse du mat VM lorsque les aiguilles sont dans le mat. La représentation de la figure 1 est très schématique, et au simple mouvement circulaire suggéré par la figure 1, même s'il donne déjà satisfaction, on préfère un mouvement elliptique (le grand axe de l'ellipse étant vertical et le petit axe de l'ellipse étant horizontal) permettant à la composante horizontale de mieux suivre la vitesse du mat qui est généralement constante.
La figure 2 représente une aiguille 3 fixée dans la planche à aiguilles 2. On voit que l'aiguille est munie de barbes 5 dirigées vers la planche à aiguilleter, c'est-à-dire vers le haut lorsque le mat est sous la planche à aiguilles (les barbes sont dirigées comme pour un hameçon).
La figure 3 représente schématiquement le procédé selon l'invention: les fils imprégnés de liquide d'ensimage et formant la nappe 1 avancent grâce au tapis 6 en direction de l'aiguilleteuse 7. La nappe saute en 8 du tapis 6 à l'aiguilleteuse 7. L'aiguilleteuse comprend deux grands éléments cylindriques perforés 9 et 9' animés en rotation en cohérence avec la vitesse du tapis 6. Ces deux éléments cylindriques enserrent la nappe pour la faire avancer sans distorsion ou élongations de celle-ci. La planche 2 à aiguilles 3 se trouve à l'intérieur de l'élément cylindrique supérieur et est animée d'un mouvement elliptique 10 dont la composante horizontale correspond sensiblement à la vitesse VM d'avancée du mat. Les aiguilles traversent l'élément supérieur cylindrique qui est muni d'orifices adaptés, puis la nappe pour l'aiguilleter, puis éventuellement l'élément cylindrique inférieur, puis remontent vers le haut selon une trajectoire elliptique. En sortant de l'aiguilleteuse 7, le mat saute de nouveau en 11 sur un autre tapis 12 qui l'emmène dans l'étuve 13. En sortie d'étuve, le mat peut être enroulé et stocké. Au moment de son utilisation, il peut être déroulé, découpé, déplacé, manipulé, placé et déformé dans le moule d'injection de la façon la plus satisfaisante. II se laisse bien imprégner par la résine d'injection. II présente une bonne perméabilité à la résine, surtout s'il est obtenu à partir de fils continus.

Claims (13)

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation d'un mat comprenant a) la dépose ou projection de fils sur un tapis défilant pour former une nappe desdits fils entraînée par ledit tapis, puis b) l'aiguilletage par des aiguilles à barbes traversant ladite nappe et se déplaçant dans la direction de la nappe à sensiblement la même vitesse qu'elle lorsqu'elles la traversent, avec une densité de coups allant de 1 à 25 coups par cm2.
2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la densité de coups de l'aiguilletage est au plus de 15 coups par cm2.
3. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la densité de coups de l'aiguilletage est au plus de 10 coups par cm2.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la densité de coups de l'aiguilletage est d'au moins 2 coups par cm2.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fils sont des fils continus comprenant des fibres de verre.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les fils sont des fils coupés comprenant des fibres de verre.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisé par des aiguilles fixées sur un support, les barbes des aiguilles étant dirigées vers ledit support.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nappe et le mat qui en dérive avancent à la vitesse de 2 à 35 mètres par minute.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nappe et le mat qui en dérive avancent à la vitesse d'au moins 8 mètres par minute.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nappe et le mat qui en dérive avancent à la vitesse d'au plus 20 mètres par minute.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aiguilles décrivent un mouvement elliptique.
12. Mat de fils continus aiguilleté consistant en de la fibre de verre éventuellement ensimée et sans trous d'aiguille visibles à l'oeil nu, lié par des boucles desdits fils.
13. Utilisation du mat de la revendication précédente pour renforcer un 5 composite en procédé d'injection en moule fermé (RTM).
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