FR3006233A1 - Profile en materiau composite destine a venir renforcer un profile en pvc, et procede de production de ce profile - Google Patents

Profile en materiau composite destine a venir renforcer un profile en pvc, et procede de production de ce profile Download PDF

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Abstract

Le profilé est caractérisé en ce que : - ledit sirop thermoplastique est de nature polymérisable et est constituée avant polymérisation d'une solution d'au moins un précurseur liquide sous forme de monomères et/ou d'oligomères et/ou de copolymères thermoplastiques activés par addition d'un amorceur et/ou d'un activateur ; - au moins un desdits précurseurs du sirop imprégnant les fibres de renforts est choisi dans la classe des acryliques et/ou des acrylates et/ou des polyacryliques (oligomères) et/ou des polyacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polymère de la classe des polyacryliques et/ou des polyacrylates. Le procédé est caractérisé en ce que la polymérisation du sirop est obtenue après imprégnation des fibres lors du passage dans une unité de polymérisation qui est soit de type filière de pultrusion ou tunnel, soit de type émettant des rayonnements ultraviolets.

Description

La présente invention concerne un profilé en matériau composite destiné à venir renforcer un profilé en PVC (Polychlorure de Vinyle). Elle concerne également un procédé de production de ce profilé. Un tel profilé en matériau composite est généralement obtenu par la technique d'extrusion et présente des propriétés mécaniques relativement faibles notamment en flexion au regard d'autres matériaux comme l'aluminium. Dans certaines applications requérant une bonne résistance à la flexion sous charge comme dans le cas des profilés de fenêtres, il est donc connu de venir renforcer ces profilés plastiques par des profilés composites pultrudés communément appelés « inserts » présentant une haute résistance en traction/flexion de manière à venir rigidifier le profilé plastique. En effet, et bien que représentant une quantité de matière composite nettement inférieure à la quantité de matière plastique, ces inserts rigidifient de façon significative lesdits profiles surtout lorsque ces derniers peuvent être disposés dans les zones externes du profilé plastique et que la quantité de fibres de renfort qu'ils apportent est maximum. Les inserts composites actuels sont obtenus principalement à base de fibres de verre imprégnées de polymère fondu, généralement du polyéthylène téréphtalate (PET), ce dernier présentant une certaine compatibilité chimique avec le PVC, qui procure une bonne adhésion entre l'insert composite et le PVC lorsque l'insert est noyé dans la matière. Bien que cette solution soit fonctionnelle, elle présente de nombreux inconvénients : - le PET est un polymère onéreux pour cette application de renforts de profiles PVC - les inserts composites à matrice PET sont obtenus par imprégnation de fibres par voie fondue, c'est-à-dire qui s'agit de faire fondre un polymère déjà polymérisé donc très visqueux et d'imprégner les fibres de renfort. Cette approche limite grandement le taux de fibres maximum atteignables dans le profilé composite et par conséquence la rigidité finale du profilé composite dont les modules de traction restent limités à des valeurs généralement inférieures à 35 ou 40 Gpa. Enfin le PET présente une température de fusion relativement haute d'environ 260°C ce qui le rend difficile à faire fondre dans le cas d'un soudage de deux profilés PVC l'un avec l'autre ; le PVC fondant plus vite que la matrice de l'insert composite qui le renforce.
D'autres techniques de renforcement à base d'inserts composites à matrice thermodurcissables existent aussi mais ces approches sont encore plus pénalisantes dans la mesure où elles ne présentent ni compatibilité chimique avec le PVC, ni possibilité de recyclage et rendre difficile voir impossible la soudure de deux profilés PVC ensemble Enfin, une autre technique consiste à essayer d'imprégner des fibres de verre par des émulsions de poudre PVC et ainsi d'obtenir un insert composites à matrice PVC qui serait alors parfaitement compatible avec la matrice PVC du profilé plastique à renforcer. Malheureusement cette approche est limitée, dans un premier temps, par la non-compatibilité chimique, c'est-à-dire la non adhésion entre les fibres de verre et la matrice PVC, et dans un deuxième temps, par la haute viscosité du PVC qui limite énormément le taux de fibres atteignable dans l'insert composite. La présente invention vise à résoudre l'ensemble de ces problèmes en proposant un insert composite obtenu à base d'un sirop thermoplastique dit réactif permettant d'obtenir un composite à très haut taux de fibre dans une résine polymère de la classe des polyacrylates et/ou polyacryliques, et préférentiellement de la classe des polyméthacrylates et/ou polyméthacryliques. Précisément, l'invention porte sur un profilé composite destiné à venir renforcer par insertion locale un profilé plastique en PVC, obtenu par imprégnation de fibres de renfort dans un sirop thermoplastique, qui est caractérisé en ce que : - ledit sirop thermoplastique est de nature polymérisable et est constitué avant polymérisation d'une solution à base d'au moins un précurseur liquide sous forme de monomères et/ou d'oligomères et/ou de copolymères thermoplastiques activés par addition d'un amorceur et/ou d'un activateur ; - au moins un desdits précurseurs du sirop imprégnant les fibres de renforts est choisi dans la classe des acryliques et/ou des acrylates et/ou des polyacryliques (oligomères) et/ou des polyacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polymère de la classe des polyacryliques et/ou des polyacrylates. Le procédé de production de ce profilé composite est caractérisé en ce que la polymérisation dudit sirop est obtenue après imprégnation des fibres lors du passage dans une unité de polymérisation, laquelle est : - soit de type filière de pultrusion ou tunnel produisant de la chaleur propre à déclencher et/ou accélérer la réaction de polymérisation des précurseurs activés ; - soit de type émettant des rayonnements ultraviolets propres à déclencher et/ou accélérer la réaction de polymérisation des précurseurs activés. L'approche par voie réactive qui consiste à polymériser in situ au milieu des fibres le polymère final permet de travailler avec des précurseurs liquides (c'est-à-dire des monomères et/ou des oligomères et/ou des copolymères) de très faible viscosité. Ce choix permet donc d'imprégner une très grande quantité de fibres de renfort et donc d'attendre des rigidités encore inégalées pour le profile composite. Le choix de précurseurs dans la classe des méthacrylates et/ou méthacryliques et notamment de précurseurs contenant du méthacrylate de méthyle (MMA) et conduisant après polymérisation à la formation d'un polymère de polyméthacrylates de méthyle (PMMA) permet d'obtenir une excellente compatibilité chimique naturelle avec le PVC de par le caractère polaire du PVC et du PMMA. De surcroît, l'utilisation de précurseurs à base de méthacrylates de méthyle (MMA), bon marché et disponible en grande quantité, réduit d'une façon significative le prix de revient de la matrice finale et donc du composite.
Enfin le PMMA est un polymère amorphe dont la température de transition vitreuse se situe autour de 110°C. Il commence donc à se ramollir au-delà de cette température pour devenir très mou voir fondu autour de 180 à 220°C. Cette température est bien inférieure à la température utilisée lors du soudage de profilés PVC, typiquement 230-250°C. Les inserts composites objets de la présente invention ne perturbent donc aucunement l'éventuelle étape de soudage de deux profilés ensemble, comme cela peut-être le cas par exemple lors de la fabrication des cadres de fenêtre en PVC. Les inserts objets de la présente invention sont obtenus par le procédé de pultrusion. De manière connue en soit, les fibres de renforts sont introduites dans une première unité d'imprégnation où au moins un précurseur à base de méthacrylates de méthyle (MMA) à très faible viscosité vient imprégner lesdites fibres. Avant que la polymérisation ne soit (trop) avancée, les fibres imprégnées sont tirées au travers d'une unité de polymérisation grâce à un système de tirage de type Caterpillar. Cette unité de polymérisation qui peut ou non donner sa forme définitive au profilé, a pour rôle d'activer et/ou d'accélérer la cinétique de polymérisation. Dans le cadre de l'invention, des moyens traditionnels de type outillage chauffé ou tunnel chauffant à air et/ou rayonnement infrarouge peuvent être employés. Les amorceurs de type peroxyde sont en effet très sensibles à la température et se décomposent rapidement au-dessus d'un seuil de température, typiquement 80°C pour le peroxyde de benzoyle par exemple. Le choix de ces techniques relève principalement d'un compromis entre l'aspect de surface et les cadences de productions recherchées. A titre d'exemple, on pourra utiliser un sirop de précurseurs à base de copolymères acryliques et de méthacrylates de méthyle (MMA) de viscosité 10 150 mPa.s à 20°C amorcés avec 1,5% de peroxyde de benzoyle. En présence de fibres, à raison de 78% en masse, ce sirop polymérise dans une filière de pultrusion chauffée entre 120°C et 140°C en moins de 5 mn. Une alternative consiste à utiliser des émetteurs à rayonnement ultra-violet qui, combinés à des photo-amorceurs et photo-sensibilisateurs préalablement 15 introduits dans le mélange de précurseurs, activent également la réaction de polymérisation dans des temps généralement plus courts (quelques secondes à quelques dizaines de secondes) que ceux atteignables par l'approche thermique. A titre d'exemple, en utilisant des fibres de verre de module 90 Gpa, dans un taux de 65% en volume, on obtient un insert composite sur base fibre de 20 verre / résine PMMA dont le module de traction est de l'ordre de 60 Gpa, soit 50% de rigidité en plus par rapport au données annoncées pour un composite verre / PET. A titre de comparaison, pour la même quantité volumique de matière, lorsque ces inserts sont utilisés comme renforts locaux dans un profilé PVC carré 50 x 50 x 25 4 mm d'inertie 2,61 105 mm4 et de module 3 Gpa, et que lesdits inserts sont introduits dans le PVC au moment de l'extrusion et placés dans les zones externes éloignées du centre d'inertie du profilé PVC, la rigidité du profilé PVC renforcé par le composite PMMA décrit ci-dessus est de 48 % supérieure à celle renforcée par le composite PET (sur base des informations présentés dans la littérature pour le 30 PET), et ce, sans prendre en compte les niveaux d'adhésion composite/PVC qui sont en faveur du PMMA. Cette analyse met en lumière tout l'intérêt de l'invention, qui est d'obtenir des inserts composites à très haute concentration en fibres et donc à haute rigidité. Ces inserts sont de surcroît totalement compatibles avec le PVC, 100% 35 recyclables puisque en matière thermoplastique, et ne perturbent pas les éventuellement opérations de soudure de profilés PVC entre eux puisque présentant une température de ramollissement bien inférieure aux températures de soudage. Selon d'autres aspects de l'invention concernant le profilé, pouvant être mis en oeuvre individuellement ou en combinaison : Selon d'autres aspects de l'invention concernant le profilé, pouvant être mis en oeuvre individuellement ou en combinaison : - au moins un desdits précurseurs du sirop imprégnant les fibres de renforts est choisi dans la classe des méthacryliques et/ou des méthacrylates et/ou des polyméthacryliques (oligomères) et/ou des polyméthacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polymère (résine) de la classe des polyméthacryliques et/ou des polyméthacrylates ; - au moins un desdits précurseurs du sirop imprégnant les fibres de renforts est choisi dans la classe des méthacryliques et/ou des méthacrylates et/ou des polyméthacryliques (oligomères) et/ou des polyméthacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ; - le sirop imprégnant les fibres est polymérisée pour obtenir la résine par voie radicalaire et/ou radicalaire contrôlée ; - le sirop imprégnant les fibres est polymérisée pour obtenir la résine par voie anionique ; - le sirop imprégnant les fibres de renfort présente une viscosité inférieure à 2000 m Pa.s, typiquement 1 à 300 mPa.s ; - ledit profilé composite contient un taux volumique de fibres de renfort supérieur à 50%, typiquement 65 à 85%; - les fibres sont des fibres continues de type fibres de verre et/ou fibres de basalte et/ou fibres de carbone. - les fibres sont des fibres naturelles de type fibres de lin et/ou fibres de chanvre ; - lesdites fibres sont des fibres présentant un module de traction supérieur à 85 Gpa, typiquement de 90 à 100 Gpa ; - le profilé composite est inséré dans le PVC lors de la phase d'extrusion et/ou de coextrusion du profilé PVC et préférentiellement dans les zones externes du profilé PVC de manière à en augmenter efficacement la rigidité ; - les dimensions extérieures du profilé composite sont de l'ordre de 1 à mm pour des profilés de type rond ou carré et de 1 à 60 mm de large pour des profilés de type plat ; l'épaisseur peut alors varier de 1 à 5 mm ; 5 - le profilé composite est inséré au moins dans une cavité du profilé PVC après la phase d'extrusion du profilé PVC. L'invention sera bien comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront, en référence aux dessins schématiques annexés, lesquels représentent, à titre d'exemple non limitatif, des formes de réalisation possible de la présente invention. La figure 1 représente des inserts composites obtenus par pultrusion selon l'invention ; La figure 2 représente un exemple de profilé PVC simple de section carrée renforcé par deux inserts de type plat qui a fait l'objet du calcul présenté dans la description précédente ; La figure 3 représente un exemple de profilé de fenêtre dans laquelle on retrouve deux typologies distinctes d'insert. Les profilés composites (1) illustrés en figure 1 sont destinés à être introduits dans le PVC au moment de l'extrusion ou coextrusion du profilé PVC. Les formes ne sont pas limitées et sont données à titre d'exemple. En générale, compte tenu de l'espace disponible pour l'inclusion des inserts dans les parois des profilés PVC, lesdits inserts sont de tailles réduites, de l'ordre de quelques millimètres. La figure 2 représente le profilé PVC (2) et les profilés composites (1) issus de l'invention ayant servis de base pour le calcul comparatif du gain en rigidité. Le calcul effectué est le suivant : - A: Inertie du profile PVC non renforcé : 2,61 105 mm4 - B: Inertie x Module du PVC non renforcé : 7,83 105 - C: Inertie des inserts base PET et PMMA : 9,52 104 - D: Module des inserts base PET: 38 Gpa - E: Module des inserts base PMMA : 60 Gpa - F: Inertie x Module des inserts base PET: 36,1 105 - G: Inertie x Module des inserts base PET: 57,1 105 Gain rigidité PMMA/PET = (57,1 + 7,83)/(36,1+7,83) = 65/39 = +48% Le profilé PVC (2) représenté en figure 3 est un profilé de fenêtre (3) typique. Il illustre les deux typologies d'inserts composites envisageables qui tirent tous deux parti des bénéfices de l'invention. La première typologie correspond aux inserts (1) introduits directement dans la matière PVC au moment de l'extrusion ou de la coextrusion. Ces inserts sont généralement des joncs de petits diamètres (1 à 3 mm) (1a) ou des plats (1 b) de faibles épaisseurs (1 à 2 mm). La deuxième typologie d'insert représente par exemple des profilés (1c) de sections ouvertes de type C dont les dimensions sont adaptés pour venir en contact avec les cavités dans lesquelles ils sont insérés.
Dans ce cas, les inserts ne sont pas noyés dans le PVC mais simplement rapportés et insérés après production du profilé PVC. Ici, l'intérêt du profilé composite à base de résine PMMA obtenu par voie réactive réside dans, premièrement, son taux de fibre élevé qui doit compenser d'un point de vue mécanique la relative « mauvaise position centrale » du profilé composite dans le profilé PVC, et deuxièmement, sa basse température de ramollissement qui lui permet d'être découpé et soudé en même temps que le profilé de fenêtre PVC sans perturber le déroulement de cette opération d'assemblage par soudure. Enfin, l'ensemble reste recyclage.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) destiné à venir renforcer par insertion locale un profilé plastique en PVC (2, 3), obtenu par imprégnation de fibres de renfort dans un sirop thermoplastique, caractérisé en ce que : - ledit sirop thermoplastique est de nature polymérisable et est constitué avant polymérisation d'une solution d'au moins un précurseur liquide sous forme de monomères et/ou d'oligomères et/ou de copolymères thermoplastiques activés par addition d'un amorceur et/ou d'un activateur ; - au moins un desdits précurseurs du sirop imprégnant les fibres de renforts est choisi dans la classe des acryliques et/ou des acrylates et/ou des polyacryliques (oligomères) et/ou des polyacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polymère de la classe des polyacryliques et/ou des polyacrylates.
  2. 2. Profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins un desdits précurseurs du sirop imprégnant les fibres de renforts est choisi dans la classe des méthacryliques et/ou des méthacrylates et/ou des polyméthacryliques (oligomères) et/ou des polyméthacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polymère de la classe des polyméthacryliques et/ou des P0 lyméthacrylates.
  3. 3. Profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) selon la revendication 2, caractérisé en ce que au moins un desdits précurseurs du sirop imprégnant les fibres de renforts est choisi dans la classe des méthacryliques et/ou des méthacrylates et/ou des polyméthacryliques (oligomères) et/ou des polyméthacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polyméthacrylate de méthyle (PMMA)
  4. 4. Profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le sirop imprégnant les fibres est polymérisé pour obtenir la résine par voie radicalaire et/ou radicalaire contrôlée.
  5. 5. Profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le sirop imprégnant les fibres est polymérisé pour obtenir la résine par voie anionique.
  6. 6. Profilé composite (1, la, lb, 1c) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le sirop imprégnant les fibres de renfort présente une viscosité inférieure à 2000 m Pa.s, typiquement 1 à 300 mPa.s.
  7. 7. Profilé composite (1, la, 1 b, 1c) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit profilé composite contient un taux volumique de fibres de renfort supérieur à 50%, typiquement 65 à 85%.
  8. 8. Profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres continues de type fibres de verre et/ou fibres de basalte et/ou fibres de carbone.
  9. 9. Profilé composite (1, la, 1 b, 1c) selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites fibres sont des fibres présentant un module de traction supérieur à 85 Gpa, typiquement de 90 à 100 Gpa.
  10. 10. Profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres naturelles de type fibres de lin et/ou fibres de chanvre.
  11. 11. Profilé composite (1, la, 1 b, 1c) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est inséré dans le PVC lors de la phase d'extrusion et/ou de coextrusion du profilé PVC (2, 3) et préférentiellement dans les zones externes du profilé PVC de manière à en augmenter efficacement la rigidité.
  12. 12. Profilé composite (1, la, 1 b, 1c) selon la revendication 11, caractérisé en ce que ses dimensions extérieures sont de l'ordre de 1 à 5 mm pour des profilés de type rond ou carré et de l'ordre del à 60 mm de large pour des profilés de type plat ; l'épaisseur peut varier de 1 à 5 mm.
  13. 13. Profilé composite (1, la, 1 b, 1c) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est inséré au moins dans une cavité du profilé PVC (3) après la phase d'extrusion du profilé PVC.
  14. 14. Procédé de production du profilé composite (1, 1 a, 1 b, 1c) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polymérisation de la résine est obtenue après imprégnation des fibres lors du passage dans une unité de polymérisation, laquelle est :- soit de type filière de pultrusion ou tunnel produisant de la chaleur propre à déclencher et/ou accélérer la réaction de polymérisation des précurseurs activés ; - soit de type émettant des rayonnements ultraviolets propres à déclencher et/ou accélérer la réaction de polymérisation des précurseurs activés.
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