FR3078009A1 - Piece d'habillage ou d'etancheite hybride avec une partie plastique - elastomere pour vehicule automobile. - Google Patents

Piece d'habillage ou d'etancheite hybride avec une partie plastique - elastomere pour vehicule automobile. Download PDF

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Abstract

Une pièce d'habillage ou d'étanchéité pour l'industrie automobile, comprenant au moins une partie en un matériau plastique (1, 10) lié à un matériau élastomère (2), qui se caractérise en ce que ledit matériau plastique et ledit matériau élastomère de ladite partie sont liés par l'intermédiaire d'au moins un polymère à haute masse molaire (3) présent à l'interface desdits matériaux plastique et élastomère.

Description

Pièce d’habillage ou d’étanchéité hybride avec une partie plastique - élastomère pour véhicule automobile
L'invention concerne la fabrication de pièces d’habillage ou d’étanchéité pour véhicule automobile telles que les profilés ou joints, comprenant au moins une partie hybride présentant une portion en matière plastique jointe à une portion en matière élastomère.
Dans l'industrie automobile, il est connu d’utiliser des pièces en matériaux polymères tels que des profilés pour étancher un véhicule. Parmi les applications possibles, on peut ainsi citer les joints de porte, les joints de coffre, par exemple avec une armature en forme de U ou autre, les coulisses de vitre, les lécheurs de vitre, les joints de double étanchéité, les enjoliveurs de toit, ou autre.
Ces pièces sont en général obtenues par moulage, injection ou par extrusion et conformation d’une matière polymère, notamment d’un caoutchouc ou d’un plastique.
Les matières/matériaux plastiques ou les plastiques incluent des polymères thermoplastiques ou des polymères thermodurcissables.
Les matières/matériaux élastomères ou les élastomères incluent des polymères qui présentent des propriétés remarquables d’élasticitév et qui sont conservées après réticulation. Le terme « caoutchouc » est utilisé de manière usuelle comme équivalente au terme « élastomère ».
Le terme « polymère » est employé au sens large, et peut comprendre notamment les oligomères, les homopolymères, les copolymères, les polymères greffés, etc ... et les mélanges de polymères.
Les matières/matériaux plastiques ou les matières/matériaux élastomères peuvent contenir des charges, des additifs, notamment dans leur application au domaine de l’industrie automobile.
Les caoutchoucs ont pour avantage de montrer une déformation rémanente très faible contrairement aux plastiques. Ces derniers présentent une faible densité et donc un gain de poids, une meilleure recyclabilité ainsi qu’une meilleure stabilité de l’aspect dans le temps après la production comparativement aux caoutchoucs.
Dans l'industrie automobile, il est de plus en plus courant d’utiliser des matériaux combinant ces deux matières, caoutchouc et plastique, afin de réaliser des pièces d’habillage ou d’étanchéité associant leurs avantages respectifs.
Pour fabriquer des pièces avec des parties en matériau hybride à base de plastique et de caoutchouc, il est possible de surmouler à chaud du plastique sur le caoutchouc ou inversement, mais avec une adhérence faible entre les matériaux, et souvent à peine suffisante pour l’industrie automobile.
Il est aussi proposé des éléments en caoutchouc et en plastique produits séparément puis sertis mécaniquement ou collés avec une colle spécifique grâce à un phénomène adhésif, pour former une pièce hybride. Toutefois la résistance à l’arrachement est faible, et les éléments peuvent se dissocier à l’usage.
Dans le brevet US 5562961, il est proposé de réaliser un profilé hybride pour l’industrie automobile en liant chimiquement un matériau thermoplastique et un matériau élastomère par covulcanisation. Un agent couplant pour favoriser la co-vulcanisation peut être en outre utilisé. Une telle réalisation nécessite une installation de production adaptée.
Dans le brevet US 7699950 B2, il est proposé de joindre une résine thermoplastique et un matériau élastomère dont les surfaces respectives venant en contact sont rendues rugueuses à des rugosités prédéterminées, puis en appliquant une énergie ultrasonique du côté du matériau élastomère pour fondre le matériau thermoplastique et le faire pénétrer dans la structure élastomère, et au final obtenir une liaison mécanique entre les deux matériaux. Ce procédé est relativement compliqué à mettre en œuvre.
L’invention vise à proposer une pièce d’habillage ou d’étanchéité, telle qu’un profilé ou joint, comprenant au moins une partie en un matériau hybride plastique-élastomère présentant une liaison solide entre les deux matériaux plastique et élastomère, répondant notamment aux exigences de résistance mécanique dans l’industrie automobile, notamment pour les pièces d’étanchéité. L’invention vise aussi à proposer un procédé pour former cette pièce, facile à mettre en œuvre.
A cette fin, l’invention propose une pièce d’habillage ou d’étanchéité pour l’industrie automobile, comprenant au moins une partie en un matériau plastique lié à un matériau élastomère, caractérisée en ce que ledit matériau plastique et ledit matériau élastomère de ladite partie sont liés par l’intermédiaire d’au moins un polymère à haute masse molaire présent à l’interface desdits matériaux.
L’adhérence obtenue entre le matériau plastique et le matériau élastomère ainsi liés est très élevée de sorte qu’on ne peut pas dissocier l’assemblage sans destruction d’un ou des deux matériaux ou de l’interface. Sans vouloir être lié par une théorie, on peut interpréter l’obtention de cette forte adhérence par le fait qu’à cette interface les longues chaînes que comporte le polymère à haute masse molaire vont pénétrer de part et d’autre dans les structures respectives desdits matériaux plastique et élastomère, et créer ainsi un lien fort entre le matériau plastique et le matériau élastomère au niveau de cette interface. Le polymère à haute masse molaire crée une liaison d’interface forte, de type cohésive.
En particulier selon l’invention, lors de la fabrication de la pièce, la partie plastique/élastomère avec son interface comprenant ledit polymère à haute masse molaire a été soumise à une énergie de manière à faire pénétrer le polymère à haute masse molaire dans les structures du matériau plastique et du matériau élastomère. Cette énergie peut provenir d’une source ou de plusieurs sources combinées.
En particulier cette énergie peut être une énergie ultrasonore c’est-àdire générée par des ultra-sons, ou à une énergie thermique par exemple générée par un rayonnement infra-rouge.
De préférence ledit polymère à haute masse molaire est un polymère à ultra haute masse molaire.
De préférence selon l’invention, ledit polymère à haute masse molaire présente une masse molaire supérieure à 3 000 000 g/mol , et plus préférentiellement supérieure à 5 000 000 g/mol, et de préférence encore supérieure à 7 000 000 g/mol. Plus particulièrement ledit polymère à haute masse molaire peut présenter une masse molaire comprise entre 5 000 000 et 12 000 000 g/mol. Cette masse molaire peut être déterminée par chromatographie.
De préférence, ledit polymère à haute masse molaire présent à l’interface plastique-élastomère est choisi parmi les polyoléfines à haute masse molaire. De préférence il est choisi parmi les polypropylènes à haute masse molaire et les polyéthylènes à haute masse molaire. De préférence il est choisi parmi les polyéthylènes à ultra haute masse molaire (connu usuellement sous l’acronyme UHMPE ou l’acronyme anglais UHMWPE).
De préférence selon l’invention, ledit polymère à haute masse molaire a une température de fusion comprise entre 120 et 180 °C.
De préférence selon l’invention, ledit polymère à haute masse molaire est présent à l’interface entre ledit matériau plastique et ledit matériau élastomère en une quantité comprise entre 5 g/m2 et 50 g/m2 en poids sec, de préférence entre 10 et 40 g/m2.
Le matériau plastique et le matériau élastomère selon l’invention sont des matériaux à base de compositions connues en soi.
En particulier selon l’invention, le matériau plastique peut comprendre des polymères plastiques choisis parmi les thermoplastiques. En particulier selon l’invention, le matériau plastique peut comprendre des polymères plastiques choisis notamment parmi les polyoléfines, en particulier les polypropylènes et les polyéthylènes, les TPE (Elastomères thermoplastiques) et en particulier les TPO (élastomères thermoplastiques oléfiniques) et les TPU (polyuréthannes thermoplastiques), et leurs mélanges.
En particulier le matériau élastomère peut comprendre des élastomères notamment choisis parmi les EPM (copolymères de Ethylène- Propylène), les copolymères de diènes et d’alpha-oléfines de type EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer), en particulier compacts ou cellulaires, les SBR (copolymères styrène-butadiène), les polyisoprènes, et leurs mélanges. Le matériau élastomère peut être à base d’autres caoutchoucs.
En particulier selon l’invention le matériau plastique dudit premier élément est un plastique TPE, et plus particulièrement un TPO, et le matériau élastomère dudit deuxième élément est un caoutchouc EPDM.
En particulier, l’invention a pour objet une pièce d’habillage ou d’étanchéité pour véhicule automobile, telle qu’un profilé ou joint, comprenant au moins une partie en un matériau plastique incluant un TPE et en un matériau élastomère incluant un EPDM, lesdits matériaux de ladite partie étant liés par l’intermédiaire d’un polyéthylène à ultra haute masse molaire, et ayant de préférence une masse molaire supérieure à 7 000 000 g/mole.
L’invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d’une pièce d’habillage ou d’étanchéité pour véhicule automobile, comprenant au moins une partie en un matériau plastique lié à un matériau élastomère, telle que décrite précédemment, et lesdits matériaux élastomère et plastique étant liés par assemblage d’une surface d’un premier élément en un matériau plastique et d’une surface d’un deuxième élément en un matériau élastomère, dans lequel ledit assemblage est réalisé en ce que :
- on applique une composition comprenant au moins un polymère à haute masse molaire sur ladite surface dudit premier élément en un matériau plastique et/ou ladite surface dudit deuxième élément en un matériau élastomère; puis
- on met en contact la surface revêtue de ladite composition d’un desdits éléments et une surface de l’autre élément, puis
- on applique une énergie au niveau d’une étendue desdits éléments sensiblement délimitée par lesdites surfaces en contact, et de préférence on applique une pression, puis
- on refroidit l’assemblage desdits éléments obtenu précédemment.
Ladite énergie appliquée sur la zone desdits éléments comportant le polymère à haute masse molaire permet de fusionner au moins partiellement ledit polymère et de favoriser la mobilité et donc la pénétration des longues chaînes dudit polymère dans les structures des matériaux plastique et élastomère à l’interface desdits éléments. Diverses sources d’énergie peuvent être utilisées. Comme indiqué précédemment, l’énergie peut par exemple être générée à partir d’ultrasons, ou par un rayonnement infra-rouge. D’autres sources d’énergie adéquates, éventuellement combinées, peuvent être utilisées.
L’étape de refroidissement peut par exemple se faire par refroidissement avec de l’eau ou de l’air, de préférence le refroidissement se fait à l’air libre, à température ambiante.
Selon un cas particulier dudit procédé, ladite composition comprend ledit au moins polymère à haute masse molaire sous forme de particules solides dudit polymère dispersées dans une phase solvant. De préférence le solvant de ladite phase solvant est choisi parmi l’eau, un solvant non aqueux miscible à l’eau, en particulier un alcool, et leurs mélanges
Selon l’invention la phase solvant de la dispersion doit être suffisamment volatile afin d’être évaporée. L’énergie appliquée favorise l’évaporation du solvant de la phase solvant de ladite dispersion.
En particulier ledit solvant non aqueux miscible à l’eau est un solvant de basse densité. De préférence le solvant de ladite phase solvant est l’eau additionnée d’un alcool, en particulier l’éthanol.
De préférence la teneur en eau peut être comprise entre 30 et 70 % en poids par rapport au poids total de la dispersion.
Tout particulièrement, la densité du polymère desdites particules et celle d’une phase solvant formée d’un mélange d’eau et d’un solvant miscible à l’eau sont du même ordre, en particulier le rapport densité eau plus solvant miscible à l’eau et densité du polymère va de 0,8 à 1,2, en particulier de 0,9 à 1,1, et tout particulièrement de 0,95 à 1,05.
De préférence ladite dispersion comprend de 10 à 30 % en poids de particules polymères par rapport au poids total de la dispersion, notamment de 15 à 25 % en poids par rapport au poids total de la dispersion.
Lesdites particules solides de polymère dans la dispersion ont de préférence une taille moyenne comprise entre 50 et 200 pm, et de préférence entre 80 et 180 pm. Par taille moyenne, il peut s’agir de la distribution granulométrique D50, notamment mesurée par les moyens décrits ci-dessous.
Les particules polymères peuvent présenter une répartition de population telle que 10 % à 15 % de ces particules présentent une dimension supérieure à 250 pm. En l’occurrence il peut s’agir de la distribution granulométrique D90 mesurée par les moyens évoqués cidessous.
Les distributions granulométriques D50 et D90 peuvent être mesurées par diffraction laser (par exemple selon la norme ISO 13320-
1), par sédigraphie (méthode de sédimentation par gravité par exemple selon la norme NF ISO 13317-3), ou par refus tamis.
La dispersion peut comprendre en outre au moins un agent tensioactif, en particulier dans le cas où les densités respectives du polymère et du solvant miscible à l’eau sont sensiblement différentes.
L’agent tensioactif peut être présent en une teneur allant de 0,001 à 1 % en poids par rapport au poids total de la dispersion.
La dispersion peut comprendre le cas échéant d’autres additifs usuels.
Les teneurs des différents composants de la dispersion sont choisies de sorte que leur somme soit égale à 100.
Le dépôt de la dispersion des particules de polymère peut être effectué sur la surface de l’un ou des deux éléments plastique ou élastomère. Ce dépôt peut être réalisé par des méthodes connues : pulvérisation, brosses, rouleaux, pinceaux co-extrusion, mousse, surinjection. Il peut être fait par pulvérisation, notamment par pistolet Grand Volume Basse Pression (HVLP - « High Volume Low Pressure »).
L’application de ladite dispersion de particules sur l’élément concerné peut être faite à froid, ou à chaud, par exemple en ligne après l’extrusion-conformation juste après la filière, et le cas échéant après vulcanisation.
Selon une variante du procédé, le polymère à haute masse molaire peut être appliqué par extrusion, par exemple sur la partie plastique considérée. Le matériau élastomère peut ensuite être surmoulé sur cette partie. Une énergie, par exemple générée par ultrasons ou par rayonnement infra-rouge, peut être appliquée ensuite sur cet assemblage.
L’invention n’est pas limitée ni par les formes des éléments, ni par la fonction de l’élément d’habillage et/ou d’étanchéité. La pièce obtenue selon l’invention peut par exemple être produite conformée pour former un joint de porte, un joint de coffre, une coulisse de vitre, un lécheur de vitre, un joint d'étanchéité, un joint de double étanchéité, un enjoliveur de toit, ou autre.
L'invention sera mieux comprise à l’aide non limitativement d’un exemple de réalisation de l’invention décrit ci-après en liaison avec la figure unique annexée.
On réalise une pièce pour l’industrie automobile qui selon cet exemple est un lécheur de vitre, comprenant une partie en un matériau hybride plastique - élastomère, et illustré selon une vue en coupe transversale par la figure unique annexée.
Selon l’invention, on réalise la pièce par assemblage d’un élément en un matériau élastomère à un élément en un matériau plastique.
Dans un premier temps ces éléments sont réalisés séparément selon des procédés de fabrication usuels et connus de l’homme de l’art, par exemple par moulage, extrusion ou injection.
On fabrique ainsi l’élément plastique, constituant selon cet exemple l’armature 1 du lécheur, par co-extrusion de deux TPE, formés d’un mélange de polyoléfines PP / PE comprenant 1/3 de talc en poids, les proportions de PP et PE variant entre les deux TPE. Les TPE extrudés en sortie d’extrudeuse passent dans une filière pour leur donner la forme voulue de ladite armature, l’un des TPE formant une première portion 10 à section sensiblement en forme de U, et l’autre TPE formant une autre portion 11.
L’élément élastomère formant la lèvre 2 du lécheur, est réalisé par extrusion d’une composition de caoutchouc EPDM comprenant environ un quart de polymère EPDM, un quart de noir de carbone, un quart de talc et un quart de plastifiant, les proportions étant exprimées en poids par rapport au poids total de la composition. En sortie d’extrudeuse, le produit passe dans une filière de manière à lui donner la forme suivant la portion élastomère 2 du lécheur de vitre. L’élément ainsi formé est vulcanisé par passage dans un bain de sel puis lavé et séché.
On prépare en outre une dispersion de particules d’un polyéthylène à ultra haute masse molaire (UHMPE), de l’ordre de 7 500 000 g/mol. Une poudre de particules (solides) du polymère est dispersée dans un milieu liquide formant la phase solvant de la dispersion, la phase solvant étant un mélange hydroalcoolique. La dispersion comprend 60 % d’eau, 19% d’éthanol et 21% de particules du polyéthylène UHMPE, les pourcentages étant exprimés en poids par rapport au poids total de la dispersion.
Selon cet exemple, la dispersion de particules est pulvérisée séparément sur chacune des surfaces à joindre respectives des deux éléments plastique et élastomère qui ont été préalablement formés. La dispersion est appliquée pour former une fine pellicule du polymère UHMPE, à raison de 15 g/m2 en poids de particules de polymère sur chaque surface.
Une fois les surfaces desdits éléments enduites, elles sont mises en contact, comprimées ensemble et soudées par application d’une énergie produite par les vibrations d’ultra-sons, à l’aide d’un équipement standard préalablement réglé. On laisse refroidir l’ensemble à l’air libre.
La phase solvant a été éliminée par évaporation.
L’application de la dispersion de particules polymères en phase solvant peut notamment comprendre une étape préalable d’agitation mécanique et une étape préalable de filtration selon la taille des particules, afin d’améliorer le résultat de l’application. La filtration peut notamment permettre d’éliminer en tout ou partie des particules agglomérées, des particules exogènes polluant la suspension et/ou des particules grossières pouvant venir boucher la buse de pulvérisation.
En outre une composition formant un produit glissant 4 est appliquée de manière connue en soi sur la partie externe de l’élément élastomère 2.
On obtient ainsi une pièce, soit un lécheur de vitre, comprenant une partie plastique - élastomère avec une interface en polymère UHMPE 3 conduisant à une liaison d’interface cohésive par interpénétration des polymères, c’est-à-dire entre le polymère UHMPE et d’une part le polymère du matériau plastique dudit premier élément et d’autre part le polymère dans le matériau élastomère dudit deuxième élément.
On vérifie que l’adhérence entre l’élément plastique et l’élément élastomère du lécheur de vitre est solide, en déterminant d’une part la tenue en traction longitudinale et d’autre part la tenue en température et contrainte selon des tests de cahiers des charges de l’industrie automobile. On compare la valeur moyenne obtenue pour une pièce similaire à celle de l’exemple, présentant une partie en les mêmes matériaux plastique et élastomère mais assemblés suivant l’art antérieur avec une colle.
Pour une pièce selon l’art antérieur, la tenue en traction longitudinale est de l’ordre de 100N, alors que pour la pièce en matériau hybride obtenue selon l’exemple de l’invention, elle est d’au moins 130N.
Après vieillissement en cycles climatiques, la tenue en traction longitudinale est de l’ordre de 80N, alors que pour la pièce en matériau hybride obtenu selon l’exemple de l’invention qui vient d’être décrit, elle est d’au moins 100N.
Dans le cas de l’évaluation de la tenue en température et contrainte, le niveau est maintenu. En effet dans les deux cas, selon l’invention et selon l’art antérieur, on n’observe pas de rupture au sein de la partie hybride en matériau plastique et matériau élastomère, après 6 cycles de 1 heure à 85 °C sous une masse (force) de 5 Newtons et sous un angle de 60 degrés.
La tenue à l’arrachement d’une pièce avec une partie en un matériau plastique et en un matériau élastomère assemblés selon l’invention est donc améliorée d’au moins 30% par rapport à un assemblage classique par liaison adhésive.
L’invention permet de fabriquer des pièces telles que des profilés ou joints présentant une partie en matériaux respectivement plastique et élastomère assemblés suivant un lien présentant une adhérence élevée, apte à répondre à des sollicitations dynamiques importantes telles que celles rencontrées dans l’industrie automobile. En outre, ce lien est beaucoup plus solide que celui pour les assemblages de l’art antérieur par collage ou coextrusion.
De plus, l’invention permet de lier deux éléments en matériaux plastique et élastomère souvent peu compatibles, et de plus sans 5 nécessiter une préparation spécifique des surfaces à joindre, ce qui apporte une très grande souplesse dans le procédé de fabrication.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Pièce d’habillage ou d’étanchéité pour l’industrie automobile, comprenant au moins une partie en un matériau plastique (1, 10) lié à un matériau élastomère (2), caractérisée en ce que ledit matériau plastique (1, 10) et ledit matériau élastomère (2) de ladite partie sont liés par l’intermédiaire d’au moins un polymère à haute masse molaire (3) présent à l’interface desdits matériaux plastique et élastomère.
  2. 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit polymère à haute masse molaire est un polymère présentant une masse molaire supérieure à 3 000 000 g/mol.
  3. 3. Pièce selon la revendication 2, caractérisée en ce que la masse molaire dudit polymère à haute masse molaire est supérieure à 5 000 000 g/mol, et de préférence supérieure à 7 000 000 g/mol.
  4. 4. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit polymère à haute masse molaire présent à l’interface desdits matériaux plastique-élastomère est choisi parmi les polyoléfines à haute masse molaire, et de préférence parmi les polypropylènes à haute masse molaire et les polyéthylènes à haute masse molaire.
  5. 5. Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit polymère à haute masse molaire est choisi parmi les polyéthylènes à ultra haute masse molaire.
  6. 6. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit polymère à haute masse molaire a une température de fusion comprise entre 120 et 180 °C.
  7. 7. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit polymère à haute masse molaire est présent à l’interface entre ledit matériau plastique et ledit matériau élastomère en une quantité comprise entre 5 et 50 g/m2 en poids sec, de préférence entre 10 et 40 g/m2.
  8. 8. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit matériau plastique comprend des polymères plastiques choisis parmi les polyoléfines, en particulier les polypropylènes et les polyéthylènes, les TPE et en particulier les TPO et les TPU, et leurs mélanges.
  9. 9. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit matériau élastomère comprend des élastomères choisis parmi les EPM, les EPDM, les SBR, les polyisoprènes et leurs mélanges.
  10. 10. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la partie matériau en plastique/ matériau en élastomère avec son interface comprenant ledit polymère à haute masse molaire a été soumise à une énergie.
  11. 11. Procédé de fabrication d’une pièce d’habillage ou d’étanchéité pour véhicule automobile, comprenant au moins une partie en un matériau plastique lié à un matériau élastomère telle que définie à l’une des revendications 1 à 10, et lesdits matériaux élastomère et plastique étant liés par assemblage d’une surface d’un premier élément en un matériau plastique et d’une surface d’un deuxième élément en un matériau élastomère, dans lequel ledit assemblage est réalisé en ce que :
    - on applique une composition comprenant au moins un polymère à haute masse molaire sur ladite surface dudit premier élément en un matériau plastique et/ou ladite surface dudit deuxième élément en un matériau élastomère; puis
    - on met en contact la surface revêtue de ladite composition
    5 d’un desdits éléments et une surface de l’autre élément, puis
    - on applique une énergie au niveau d’une étendue desdits éléments sensiblement délimitée par lesdites surfaces en contact, et de préférence on applique une pression, puis
    - on refroidit l’assemblage desdits éléments obtenu
    10 précédemment.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel ladite composition comprend ledit au moins polymère à haute masse molaire sous forme de particules solides dudit polymère dispersées dans une 15 phase solvant, de préférence le solvant de ladite phase solvant étant choisi parmi l’eau, un solvant non aqueux miscible à l’eau, en particulier un alcool, et leurs mélanges.
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