FR2994886A1 - Materiau composite renforce de fibres - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un matériau composite renforcé de fibres qui comprend des fibres de carbone à base de lyocell et une résine de polymère. Le matériau composite renforcé de fibres a d'excellentes propriétés physiques, notamment une faible conductivité thermique, une excellente adhérence interfaciale et une excellente résistance, par rapport à des matériaux composites à base de fibres préparés en utilisant des fibres de carbone à base de polyacrylonitrile classiques, des fibres de carbone à base de brai ou similaire. De plus, le matériau composite renforcé de fibres décrit est respectueux de l'environnement et a de faibles coûts de production comparé à des matériaux composites renforcés de fibres comprenant des fibres de carbone classiques à base de viscose produites en utilisant un solvant à base de disulfure de carbone hautement toxique.
Description
MATÉRIAU COMPOSITE RENFORCÉ DE FIBRES Contexte de l'invention Domaine de l'invention Des modes de réalisation de la présente invention concernent un matériau composite renforcé de fibres comprenant des fibres de carbone à base de lyocell. Description de l'art connexe Les matériaux composites renforcés de fibres comprennent une matrice de résine 10 de polymère et des fibres de renforcement et présentent les avantages de légèreté et d'excellentes propriétés physiques. Généralement, en tant que matrice, une résine naturelle ou un polymère synthétique est utilisé, et en tant que fibre de renforcement, une fibre organique telle qu'une fibre d'amide ou une fibre d'aramide, ou une fibre inorganique telle qu'une fibre de 15 verre ou une fibre de carbone est utilisée. Parmi ces fibres, les fibres de carbone sont principalement produites par carbonisation de fibres de polyacrylonitrile à haute température, et dans certains cas, sont produites à partir de fibres de viscose ou fibres de brai. Les matériaux composites renforcés de fibres comprenant des fibres de carbone 20 classiques ont une excellente résistance thermique et une excellente résistance à la flamme, etc., et peuvent donc être généralement utilisés dans différents domaines, tandis que les fibres de carbone classiques à base de polyacrylonitrile ont une conductivité thermique élevée, et que les fibres de carbone classiques à base de viscose sont produites en utilisant un solvant à base de disulfure de carbone hautement toxique qui 25 peut causer une pollution environnementale. (Documents de l'art antérieur) (Documents de brevet) (Document de brevet 1) Demande de brevet coréen n° 10-1138291 30 35 Résumé de l'invention Un mode de réalisation de la présente invention concerne un matériau composite renforcé de fibres comprenant des fibres de carbone à base de lyocell, qui a une conductivité thermique faible, une excellente adhérence interfaciale et de faibles coûts de production et est respectueux de l'environnement, comparé à des matériaux composites renforcés de fibres préparés en utilisant des fibres de carbone classiques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un matériau composite renforcé de fibres comprend des fibres de carbone à base de lyocell et une résine de polymère.
Description de modes de réalisation spécifiques Des modes de réalisation illustratifs de la présente invention sont décrits ci-dessous. La présente invention concerne un matériau composite renforcé de fibres comprenant des fibres de carbone à base de lyocell et une résine de polymère. La fibre de carbone à base de lyocell est de préférence entourée par la résine de polymère. Spécifiquement, la fibre de carbone à base de lyocell sert de renforcement pour le matériau composite renforcé de fibres, et la résine de polymère sert de matrice qui entoure la fibre de carbone à base de lyocell, de manière à améliorer les propriétés physiques du matériau composite renforcé de fibres. La fibre de carbone à base de lyocell comprend de préférence des fibres de lyocell carbonisées. Spécifiquement, la fibre de carbone à base de lyocell est de préférence produite par des procédés de production de fibre de carbone comprenant un procédé de prétraitement, un procédé de stabilisation, un procédé de carbonisation et un procédé de graphitisation. Des fibres de lyocell sont produites par des procédés nouvellement développés qui n'utilisent pas de composant, qui cause une pollution de l'environnement et est néfaste pour le corps humain. Ces fibres sont des fibres filées au sec ou au mouillé produites en utilisant de la pâte naturelle à base de cellulose et le solvant Nméthylmorpholine N-oxyde (NMMO), qui dissout la pâte, en tant que matières premières.
La matière première pour produire les fibres de lyocell est de la cellulose extraite à partir de pâte à bois, qui est un polymère totalement biodégradable, recyclable et respectueux de l'environnement. De plus, ces fibres peuvent être produites en utilisant un procédé qui ne rejette pas de polluants, contrairement aux fibres de viscose classiques. La fibre de carbone à base de lyocell est de préférence produite par traitement thermique de fibres de lyocell à une température dans la plage de 100 à 2800 °C. Spécifiquement, le procédé de stabilisation est conduit en deux étapes. De préférence, la première étape du procédé de stabilisation est conduite à une température dans la plage de 100 à 250 °C pendant 10 à 30 heures, et la deuxième étape est conduite à une température dans la plage de 300 à 500 °C pendant 10 à 100 heures. Si le procédé de stabilisation est conduit dans la plage de température décrite ci-dessus, la fibre résultante est très stable sans décomposition thermique. Le procédé de carbonisation est de préférence conduit par traitement thermique à une température dans la plage de 900 à 1700 °C pendant 10 à 30 heures. Si le procédé de carbonisation est conduit dans la plage de température ci-dessus, un rendement de carbonisation élevé est assuré.
Le procédé de graphitisation est de préférence conduit par chauffage de la fibre à une température de graphitisation comprise entre 2000 et 2800 °C et en maintenant la fibre à une température comprise entre 2000 et 2800 °C pendant 10 heures ou moins. Si le procédé de graphitisation est conduit dans la plage de température ci-dessus, le degré de graphitisation de la fibre peut être augmenté.
La fibre de carbone à base de lyocell a de préférence une teneur en carbone de 50 (3/0 ou plus, et plus préférablement de 80 (3/0 ou plus. Si la teneur en carbone est dans la plage ci-dessus, le matériau composite renforcé de fibres de carbone est léger et a une excellente résistance. La fibre de carbone à base de lyocell a de préférence soit une structure à longues fibres constituée de fils de filaments soit une structure de type filé fabriquée par torsion de fibres courtes, mais sans que ce soit limitatif. La fibre à base de lyocell se présente de préférence sous la forme d'un tissé, d'un non-tissé, d'un tricot, d'un tricot à mailles jetées multiaxial, d'un tissu unidirectionnel, d'un voile ou d'une fibre coupée, mais sans que ce soit limitatif.
La résine de polymère est de préférence une résine de polymère naturelle ou une résine de polymère synthétique. De plus, la résine de polymère est de préférence une résine thermoplastique ou une résine thermodurcissable, et plus préférablement une résine thermoplastique. Une résine thermoplastique a d'excellentes propriétés physiques telles qu'une résistance ou dureté élevée, ainsi qu'une excellente résistance thermique et une excellente résistance chimique, et conserve donc ses propriétés physiques même après une utilisation à long terme. En conséquence, le matériau composite renforcé de fibres comprenant une résine thermoplastique peut être avantageusement utilisé dans des applications militaires et industrielles nécessitant des propriétés physiques élevées. De plus, la résine de polymère est de préférence une résine phénolique, une résine époxy ou une résine polyester, mais n'est pas limitée à celles-ci.
L'utilisation de résine phénolique, résine époxy ou résine polyester en tant que résine de polymère facilite la préparation du matériau composite renforcé de fibres et est avantageuse en termes économiques. Dans un procédé de préparation du composite renforcé de fibres de la présente invention, avant que la fibre de carbone à base de lyocell soit combinée avec la résine de polymère, la fibre de carbone à base de lyocell est de préférence lavée avec de l'eau ou un solvant organique pour éliminer les impuretés de la surface, et ensuite traitée en surface avec un sel, une huile ou un matériau polymère de sorte qu'elle soit aisément combinée avec la résine de polymère.
Ci-après, la présente invention est décrite en référence à des exemples, mais la portée de la présente invention n'est pas limitée à ces exemples. Exemple 1 Une fibre de lyocell est tissée en textile croisé en utilisant une machine à tisser à lances et ensuite lavée par immersion dans de l'acétone pur à 99,8 (3/0 pendant environ 2 heures. Le textile lavé est immergé dans une solution à 5 (3/0 en poids de silicone RTV (polymère à base de silicone) dans du perchloroéthylène à environ 25 °C pendant environ 30 minutes, et ensuite immergé dans une solution aqueuse à 15 (3/0 en poids de chlorure d'ammonium (sel ignifugeant) pendant environ 30 minutes, suivi par séchage à une température d'environ 80 °C. Le textile de lyocell prétraité est chauffé dans un four de traitement thermique à une température d'environ 200 °C à un taux de 30 °C/h, et ensuite chauffé à 300 °C à un taux de 2 °C/h, de manière à stabiliser le textile. Ensuite, le textile stabilisé est chauffé à 1700 °C à un taux de 50 °C/h et carbonisé pendant 10 heures. Le textile carbonisé est chauffé à 2000 °C à un taux de 100 °C/h et graphitisé pendant 1 heure, de manière à fabriquer un textile de fibres de carbone à base de lyocell qui a une teneur en carbone de 90% ou plus et une densité surfacique de 350 g/m2et est constitué de fibres longues. Une solution à 70 (3/0 de résine phénolique dans un solvant méthanol est préparée. Le textile de fibres de carbone à base de lyocell est lavé avec de l'eau pour éliminer les impuretés de la surface et est traitée en surface avec un polymère de silicone, après quoi le textile de fibre de carbone à base de lyocell est immergé dans la solution de résine phénolique. Les textiles de fibre de carbone à base de lyocell immergés dans la solution de résine phénolique sont empilés les uns sur les autres, chauffés à 150 °C dans une presse à chaud, et pressés à 1000 psi pendant 3 heures, de manière à préparer un matériau composite renforcé de fibres de type plat.
Exemple comparatif 1 Un matériau composite renforcé de fibres est préparé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que des fibres de carbone à base de polyacrylonitrile sont utilisées à la place des fibres de carbone à base de lyocell.
Exemple comparatif 2 Un matériau composite renforcé de fibres est préparé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que des fibres de lyocell non carbonisées sont utilisées à la place des fibres de carbone à base de lyocell.
Exemple de test 1 Les propriétés physiques des matériaux composites renforcés de fibres préparés dans l'exemple 1 et l'exemple comparatif 1 sont testées, et les résultats de test sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1 Exemple 1 Exemple comparatif 1 Conductivité thermique (W/mK) 1,9 2,8 Résistance au cisaillement (MPa) 17 12 Comme décrit dans le tableau 1 ci-dessus, le matériau composite renforcé de fibres préparé dans l'exemple 1 selon la présente invention présente une conductivité thermique faible et une résistance au cisaillement élevée par rapport au matériau composite renforcé de fibres préparé en utilisant des fibres de carbone classiques à base de polyacrylonitrile dans l'exemple comparatif 1. Par conséquent, le matériau composite renforcé de fibres de l'exemple 1 a d'excellentes propriétés physiques. Exemple de test 2 Les propriétés physiques des matériaux composites renforcés de fibres préparés dans l'exemple 1 et l'exemple comparatif 2 sont testées, et les résultats de test sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous. Tableau 2 Comme décrit dans le tableau 2 ci-dessus, le materiau composite renforcé de fibres préparé dans l'exemple 1 selon la présente invention présente une résistance thermique élevée par rapport au matériau composite renforcé de fibres préparé en utilisant des fibres de lyocell non carbonisées dans l'exemple comparatif 2. Par Exemple 1 Exemple comparatif 2 Résistance thermique (°C) 590 270 conséquent, le matériau composite renforcé de fibres de l'exemple 1 a d'excellentes propriétés physiques. Comme décrit ci-dessus, le matériau composite renforcé de fibres comprenant des fibres de carbone à base de lyocell selon la présente invention a d'excellentes propriétés physiques, notamment une conductivité thermique faible, une excellente adhérence interfaciale et une excellente résistance, par rapport à des matériaux composites à base de fibres préparés en utilisant des fibres de carbone à base de polyacrylonitrile classiques, des fibres de carbone à base de brai ou similaire. De plus, le matériau composite renforcé de fibres de la présente invention comprend une fibre de lyocell produite en utilisant un solvant N-méthylmorpholine N- oxyde (NMMO), qui n'est pas néfaste pour le corps humain et l'environnement et est recyclable. Par conséquent, le matériau composite renforcé de fibres de la présente invention est respectueux de l'environnement et a de faibles coûts de production par rapport aux matériaux composites renforcés de fibres comprenant des fibres de carbone classiques à base de viscose produites en utilisant un solvant à base de disulfure de carbone très toxique.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Matériau composite renforcé de fibres comprenant des fibres de carbone à base de lyocell et une résine de polymère.
- 2. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel les fibres de carbone à base de lyocell comprennent des fibres de lyocell carbonisées.
- 3. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell est entourée par la résine de polymère.
- 4. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell est produite par traitement thermique de fibres de lyocell à une température comprise de 100 à 2800 °C.
- 5. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell a soit une structure à longues fibres constituée de fils de filaments soit une structure de type filé fabriquée par tordage de fibres courtes.
- 6. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell se présente sous la forme d'un tissé, d'un non-tissé, d'un tricot, d'un tricot à mailles jetées multiaxial, d'un tissu unidirectionnel, d'un voile ou d'une fibre coupée.
- 7. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel la résine de polymère est une résine de polymère naturelle ou une résine de polymère synthétique.
- 8. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel la résine de polymère est une résine thermoplastique ou une résine thermodurcissable.
- 9. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel la résine de polymère est une résine phénolique, une résine époxy ou une résine polyester.35
- 10. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, dans lequel le matériau composite renforcé de fibres est préparé par lavage de la fibre de carbone à base de lyocell avec de l'eau ou un solvant organique, traitement de surface de la fibre lavée avec un sel, une huile ou un matériau polymère, et combinaison de la fibre traitée en surface avec la résine de polymère.
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