LU100709B1 - Nouveau cable bielastique en fibres de carbone a titre de nappe de sommet - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un nouveau renforcement de câblés de bandages pneumatiques réalisé à partir de fibres de carbone à module ultraélevé, qui possède des propriétés biélastiques de résistance à la traction. Un tel nouveau câblé biélastique pour bandage pneumatique améliore la durabilité à grande vitesse et élimine l'aplanissement lorsqu'il est utilisé à titre de nappe de sommet dans des bandages pneumatiques du type à nappe radiale.

Description

NOUVEAU CABLE BIELASTIQUE EN FIBRES DE CARBONE A TITRE DE NAPPE DE SOMMET

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un nouveau renforcement de câblé de bandage pneumatique réalisé à partir de fibres de carbone à module ultraélevé, qui possède des propriétés biélastiques de résistance à la traction. Un nouveau câblé biélastique de bandage pneumatique de ce type améliore la durabilité à grande vitesse et élimine l'aplanissement lorsqu'on l'utilise comme nappe de sommet dans des bandages pneumatiques à nappe radiale.

DESCRIPTION DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Dans des conditions de grande vitesse, le diamètre externe du bandage pneumatique augmente suite aux forces centrifuges générées par le paquet de ceintures de câblés en acier et la bande de roulement. Une telle augmentation de diamètre ou une telle expansion du bandage pneumatique augmente les mouvements pantographiques des câblés du bord de la ceinture donnant lieu aux amorçages de fissures, aux propagations des fissures et en définitive aux séparations des bords de ceintures.

La couche de nappe de sommet qui vient s'enrouler sur le paquet de ceintures en direction circonférentielle empêche une expansion excessive du bandage pneumatique dans des conditions de grande vitesse en exerçant des forces de compression (force de retenue) sur un paquet de ceintures épais réalisé à partir de couches de câblés en acier de structure diagonale. À l'heure actuelle, les matériaux utilisés de manière la plus répandue pour des nappes de sommet sont des couches de nylon 6.6 à nappes multiples ou des câblés hybrides monocouches qui sont enroulés en spirale sur le paquet de ceintures en formant un angle de 0 à 5 degrés par rapport au plan équatorial du bandage pneumatique.

Des câblés en nylon possèdent une résistance excellente à la fatigue dans des conditions de flexion et de compression axiale et une caractéristique biélastique de résistance à la traction permettant un traitement aisé au cours de la confection du bandage pneumatique. En outre, la génération d'une force de rétrécissement de manière proportionnelle à l'élévation de la température de service dans des conditions de grande vitesse améliore la résistance à la séparation des bords de ceintures, ainsi que la durabilité à grande vitesse. Toutefois, la basse température de transition vitreuse du nylon pose des problèmes d'aplanissement dans le bandage pneumatique lors du stationnement après un déplacement à grande vitesse. Un autre inconvénient potentiel lié à un assemblage de nappe de sommet en nylon du type à nappes multiples concerne sa teneur élevée en caoutchouc qui entraîne une augmentation de la résistance au roulement du bandage pneumatique par hystérésis (accumulation de chaleur). il est bien connu que des câblés hybrides comprenant des fils à modules élevés et des fils à faibles modules possédant un comportement biélastique de résistance à la traction sont également largement utilisés à titre de nappe de sommet dans des bandages pneumatiques du type à grande vitesse. Le composant de faible module du câblé hybride permet un soulèvement aisé du paquet de ceintures en l'absence d'une formation de câblés serrés grâce à sa capacité d'extension élevée et le composant à module élevé devient efficace dans des conditions de services. En utilisant des câblés hybrides à titre de nappe de sommet, on peut réduire l'épaisseur totale de la couche de nappe de sommet et la teneur en caoutchouc, et le composant à module élevé du câblé hybride améliore la force de retenue et la durabilité à grande vitesse. Mais la présence de nylon entraîne également un certain aplanissement.

Par ailleurs, les câblés réalisés à partir de fils à module ultraélevé possédant une torsion élevée, sont également utilisés à titre de renforcement du bandage pneumatique afin d'éliminer l'aplanissement et d'améliorer les performances à grande vitesse, mais un taux élevé de torsion du câblé donne lieu à des pertes drastiques du module et de la résistance à la rupture.

Dans le brevet des États-Unis d'Amérique US-A 4 893 665, on décrit un câblé hybride comprenant au moins deux fils, chacun de ceux-ci étant constitué uniquement par des filaments d'aramide, et un fil central unique qui est constitué uniquement par des filaments choisis parmi le groupe constitué par des polyamides dont la structure est au moins partiellement orientée et des polyesters dont la structure est au moins partiellement orientée.

Dans le brevet des États-Unis d'Amérique US-A 5 558 144, on décrit un câblé hybride possédant de l'aramide à module élevé et du nylon à faible module, enroulé en spirale et en continu sur un paquet de ceintures dans la direction circonférentielle du bandage pneumatique en formant un angle de 0 à 3 degrés par rapport au plan équatorial.

Dans le brevet des États-Unis d'Amérique US-A 6 799 618, on décrit une structure de nappe de sommet en textile qui est superposée en direction radiale vers l'extérieur à l'assemblage de ceintures, qui est renforcée avec des câblés réalisés à partir de matières qui englobent le nylon et l'aramide. Lors de l'allongement initial des câblés, les fils supportant la charge principale sont des fils en nylon et après un allongement appréciable, les fils supportant la charge principale sont les fils d'aramide.

Dans le brevet des États-Unis d'Amérique n° 2013/0025758, on décrit un bandage pneumatique à nappe radiale haute performance pour des véhicules de tourisme, qui utilise un câblé hybride composé d'un fil d'aramide à deux nappes et d'un fil de nylon à nappe unique possédant des coefficients de torsion différents pour la première torsion et des coefficients de torsion différents pour la seconde torsion, à titre de nappe de sommet, et qui possède ainsi une meilleure durabilité à grande vitesse et une meilleure stabilité directionnelle.

SOMMAIRE DE L'INVENTION L'invention procure un renforcement de câblé du type à deux nappes ou plus, réalisé à partir d'un fil en fibres de carbone possédant des propriétés biélastiques de résistance à la traction. Plus précisément, un faible module initial et un module élevé après l'allongement initial. Dans le but d'empêcher des pertes excessives concernant le module et la résistance à la rupture, on a évité un taux élevé de torsion du câblé.

Le principe de production de la transformation du comportement linéaire de résistance à la traction du câblé en fibres de carbone en caractéristiques biélastiques se base sur l'ouverture des nappes de câblés et sur l'insertion d'un adhésif RFL dans ladite ouverture. Le câblé en fibres de carbone qui contient du RFL entre ses nappes ouvertes manifeste un comportement biélastique de résistance à la traction sous tension. Définitions Câblé : le produit que l'on obtient en tordant les uns aux autres des fils du type à deux nappes ou plus.

Nappe de câblés : fils du type à nappe unique au sein du câblé.

Dtex : le poids en grammes d'un fil possédant une longueur de 10 000 m.

Aplanissement : les câblés dans un bandage pneumatique possédant une faible valeur Tg et une force élevée de rétrécissement thermique sont soumis à un rétrécissement à l'empreinte. Lorsqu'il est refroidi dans cette position, le câblé maintient l'aplanissement jusqu'à ce qu'il retrouve sa valeur Tg lors de son utilisation. Câblé écru : câblé tordu avant immersion et durcissement à la chaleur.

Durcissement à la chaleur : le processus consistant à conférer une résistance à la déformation et une résistance à la chaleur aux fils, aux câblés ou aux tissus en recourant soit à de l'humidité, soit à de la chaleur. Câblé après durcissement à la chaleur ; câblé exposé à une température élevée (par exemple de 120 °C à 260 °C sous tension).

Densité linéaire : poids par unité de longueur exprimé en g/dtex ou en g/d (denier). Écartement(s) : distance réciproque de nappe à nappe au sein d'un câblé torsadé du type à nappes multiples. TASE à un allongement de 2 % : déformation à un allongement de 2 % exprimée en cN/dtex.

Tg ; température de transition vitreuse d'un polymère.

Dtex nominale totale d'un câblé : somme des densités linéaires nominales d'un fil (3340 dtex for un câblé 1670x2).

Torsion : nombre de spires autour de son axe par mètre d'un fil ou d'un câblé (t/m ou tpm).

Fil à module ultraélevé : module d'élasticité en traction supérieur à 100 GPa.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe transversale de câblés conventionnels (technique antérieure) en fibres de carbone du type à deux nappes et à trois nappes, respectivement.

La figure 3 est une vue en coupe transversale d'un câblé hybride conventionnel (technique antérieure) du type à deux nappes, dans laquelle A représente une nappe (un fil) en fibres d'aramide ou de carbone, B représente une nappe (un fil) en nylon.

La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un câblé hybride conventionnel (technique antérieure) du type à trois nappes, dans laquelle A représente une nappe (un fil) en fibres d'aramide, B représente une nappe (un fil) en nylon.

Les figures 5 et 6 sont des vues en coupe transversale de câblés conventionnels (technique antérieure) en nylon du type à deux nappes et à trois nappes, respectivement.

La figure 7 représente l'ouverture des sections transversales du câblé et la pénétration ultérieure par immersion entre les nappes de câblés pour des câblés en fibres de carbone du type à deux nappes et à trois nappes, dans laquelle A représente une vue en coupe transversale de câblés en fibres de carbone du type à deux nappes et à trois nappes, sous la forme de nappes fermées, B représente une vue en coupe transversale de câblés en fibres de carbone du type à deux nappes et à trois nappes, sous la forme de nappes ouvertes, C représente une vue en coupe transversale de câblés en fibres de carbone du type à deux nappes et à trois nappes, sous une forme imprégnée par immersion conformément à l'invention, D représente la solution d'immersion dans un adhésif (RFL) remplissant les ouvertures entre les nappes et recouvrant la surface des câblés.

La figure 8a est une vue latérale et en coupe transversale d'un câblé conventionnel en fibres de carbone du type à deux nappes.

La figure 8b est une vue latérale et en coupe transversale d'un câblé en fibres de carbone du type à deux nappes sous la forme ouverte conformément à l'invention (avant l'étape d'immersion).

La figure 9a est une vue latérale et en coupe transversale d'un câblé conventionnel en fibres de carbone du type à trois nappes.

La figure 9b est une vue latérale et en coupe transversale d'un câblé en fibres de carbone du type à trois nappes sous la forme ouverte conformément à l'invention (avant l'étape d'immersion).

Les figures 10a, 10b, 10c et 10d représentent des vues en coupe transversale de formes fermées et ouvertes de nappes de câblés. D représente le diamètre du câblé et s représente l'écartement (l'ouverture) entre les nappes de câblés.

La figure 11 représente les courbes de contrainte-allongement de câblés en fibres de carbone, dans laquelle 1 représente un câblé 2000 dtex/2 en fibres de carbone après immersion possédant une torsion Z/S, 200/200 tpm (technique antérieure) possédant une caractéristique linéaire de résistance à la traction, 2 représente un câblé 2000 dtex/2 en fibres de carbone possédant une torsion Z/S, 200/160 tpm (soumis à une torsion en retour de 40 tpm dans la direction Z) et après immersion, possédant une caractéristique biélastique de résistance à la traction conformément à l'invention, 3 représente un câblé 2000 dtex/2 en fibres de carbone possédant une torsion Z/S, 200/200 tpm, comprimé en direction axiale et les nappes de câblés étant ouvertes au cours du processus d'immersion, possédant une caractéristique biélastique de résistance à la traction conformément à l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

La fibre de carbone avec son module ultraélevé et sa résistance élevée représente une matière qui résiste très bien à la déformation. Grâce à sa microstructure hautement cristalline, elle ne manifeste aucun rétrécissement thermique significatif lorsqu'elle est exposée à une température élevée. Sous sa forme tordue à titre de câblé du type à deux nappes ou à trois nappes, elle peut être utilisée comme renforcement dans des bandages pneumatiques et dans des articles mécaniques en caoutchouc tels que des courroies en V (comme on peut le voir dans les figures 1 et 2). Dans des applications visant des courroies en V, afin d'empêcher des frictions des fibres entre elles et pour améliorer la résistance à la fatigue en flexion, les fibres sont totalement imprégnées (pénétration complète) avec des élastomères adhésifs.

La torsion du fil améliore la résistance à la fatigue de la fibre de carbone en flexion et sous compression, mais réduit en même temps le module ainsi que la résistance.

Dans des applications de nappes de sommet du type à degré zéro dans des bandages pneumatiques à nappe radiale, on a besoin du module élevé pour la force de retenue afin d'empêcher des séparations des bords de ceintures dans des conditions de grande vitesse, mais on a également besoin d'une aptitude initiale à l'extension avec de faibles forces (faible module initial) pour l'aptitude au traitement au cours du soulèvement du paquet de ceintures dans les processus de confection et de vulcanisation du bandage pneumatique afin d'éviter des coupures de câblés à travers le composé en gomme de la ceinture.

Des câblés hybrides d'aramide/nylon permettent de faire face à cette difficulté, mais la présence de nylon crée des problèmes d'aplanissement et de structures de câblés asymétriques (comme on peut le voir dans les figures 3 et 4).

Des câblés en nylon 6 et 6.6 du type à deux nappes ou à trois nappes (comme on peut le voir dans les figures 5 et 6) représentent des renforcements bien connus à titre de nappe de sommet dans des bandages pneumatiques du type à nappe radiale pour des véhicules de tourisme et des camionnettes, mais l'aplanissement et un faible niveau de module sont leurs inconvénients majeurs.

Conformément à la présente invention, on peut obtenir des câblés en fibres de carbone du type à deux nappes ou plus en l'absence de nappe contenant un quelconque composant à faible module, tel que du nylon, et possédant un module d'élasticité en traction supérieur à celui de l'aramide, avec des propriétés biélastiques de résistance à la traction (comme on peut le voir en figure 7). De nouveaux câblés biélastiques en fibres de carbone de ce type peuvent être utilisés à titre de nappe de sommet à zéro degré dans des bandages pneumatiques à nappe radiale afin d'améliorer la durabilité à grande vitesse et qui ne manifestent aucun aplanissement.

Conformément à l'invention, le principe de production de base du câblé biélastique en fibres de carbone consiste à ouvrir les nappes de câblés et à insérer la solution d'immersion dans un adhésif entre les nappes. Le câblé en fibres de carbone contenant un pourcentage élevé de solution d'immersion dans un adhésif tel que le RFL entre ses nappes devient extensible avec de faibles forces, et au cours de cette extension, les nappes de câblés en fibres de carbone exercent des forces de compression sur la matière adhésive (RFL) et la compriment. Au cours de ce processus de compression, le câblé subit un allongement avec de faibles forces. Une fois que les nappes de câblés en fibres de carbone se sont rapprochées les unes des autres, le câblé en fibres de carbone résiste à l'allongement et il redevient un câblé à module ultraélevé (comme on peut le voir en figure 11).

Pour pouvoir obtenir une caractéristique biélastique de résistance à la traction, les nappes de câblés en fibres de carbone peuvent être ouvertes en recourant à différents procédés : a) les câblés écrus en fibres de carbone du type à deux nappes ou plus sont durcis à la chaleur à une température entre 120 °C et 260 °C et après refroidissement, ils sont soumis à une torsion partielle en retour dans la direction opposée à la torsion du câblé. Au cours de ce processus de torsion en retour, les nappes de câblés sont ouvertes (comme on peut le voir dans les figures 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 10c et 10d). Les câblés en fibres de carbone avec leurs nappes ouvertes sont à nouveau soumis à une immersion et à un durcissement à la chaleur et, au cours de ces processus, les vides entre les nappes de câblés sont remplis avec la solution d'immersion et la surface externe des nappes de câblés est également recouverte par la solution d'immersion. b) les câblés écrus en fibres de carbone du type à deux nappes ou plus sont soumis à une imprégnation et à un durcissement à la chaleur à une température entre 120 °C et 260 °C et après refroidissement, ils sont soumis à une torsion partielle en retour dans la direction opposée à la torsion du câblé. Au cours de ce processus de torsion en retour, les nappes de câblés sont ouvertes. Les câblés en fibres de carbone avec leurs nappes ouvertes sont à nouveau soumis à une immersion et à un durcissement à la chaleur et, au cours de ces processus, les vides entre les nappes de câblés sont remplis avec la solution d'immersion et la surface externe des nappes de câblés est également recouverte avec une quantité supplémentaire de la solution d'immersion. c) les câblés en fibres de carbone du type à deux nappes ou plus sont soumis à une compression axiale au cours du processus d'immersion et le câblé avec ses nappes ouvertes sous compression absorbe la solution d'immersion entre les nappes de câblés ouvertes. Après le processus d'immersion, le câblé en fibres de carbone, dans lequel la solution d'immersion a pénétré entre les nappes est séché et durci à la chaleur entre 120° et 260 °C.

La caractéristique de biélasticité de résistance à la traction du câblé en fibres de carbone peut être modifiée avec le(s) degré(s) d'ouverture des nappes (comme on peut le voir dans les figures 10b et 10c), avec le type de solution d'immersion, avec la teneur en solution d'immersion entre les nappes et avec le degré de durcissement de la solution d'immersion à des températures élevées (dureté de la solution d'immersion).

Conformément à l'invention, le câblé en fibres de carbone du type à deux nappes ou plus possède une valeur TASE inférieure à 2,0 cN/dtex à un allongement de 2 %, déterminée conformément à la norme ASTM D885-16 et l'écartement (les écartements) entre les nappes de câblés, qui est (sont) rempli(s) avec la solution d'immersion dans un adhésif est (sont) supérieur(s) à 0,15xD et inférieur(s) à 0,8xD.

Une valeur TASE à 2% supérieure à 2,0 cN/dtex donne des câblés serrés lorsqu'on les applique à titre de nappe de sommet au cours du processus de soulèvement du bandage pneumatique.

De préférence, s est supérieur à 0,2xD et inférieur à 0,5xD.

Conformément à l'invention, l'absorption de la solution d'immersion dans un adhésif (DPU) du câblé après immersion est supérieure à 20 % et inférieure à 50 %, de préférence supérieure à 25 % et inférieure à 35 %, en poids.

Une DPU inférieure à 10 % ne permet pas de remplir totalement les ouvertures entre les nappes de câblés et une DPU supérieure à 50 % donne lieu à des diamètres de câblés trop épais.

Conformément à l'invention, le coefficient de torsion du câblé est supérieur à 12.000 et inférieur à 20.000, comme déterminé en se basant sur la formule suivante :

Coefficient de torsion = torsion du câblé (tpm) x racine carrée de la valeur dtex nominale totale du câblé (1).

Des câblés dont le coefficient de torsion est inférieur à 12.000 possèdent une résistance insuffisante à la fatigue en flexion et des câblés dont le coefficient de torsion est supérieur à 20.000 possèdent des réductions de modules significatives.

Conformément à l'invention, la densité linéaire nominale totale du câblé est supérieure à 200 dtex et inférieure à 5.000 dtex.

Les câblés possédant une valeur inférieure à 200 dtex ne sont pas suffisamment efficaces et les câblés possédant une valeur supérieure à 5.000 dtex sont trop épais.

Claims (8)

1. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur possédant au moins deux nappes et possédant un (des) écartement(s) entre lesdites nappes de câblés, dont la valeur TASE est inférieure à 2,0 cN/dtex à un allongement de 2,0 %, caractérisé en ce que l'écartement (les) écartement(s) entre lesdites nappes de câblés représente(nt) plus de 15 % et moins de 80 % du diamètre (D) du câblé.

2. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur selon la revendication 1, dont l'écartement (les) écartement(s) entre les nappes de câblés représente(nt) de préférence plus de 20 % et moins de 50 % du diamètre (D) du câblé.

3. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur selon la revendication 1, dont la valeur d'absorption de la solution d'immersion dans un adhésif (DPU) dudit câblé est supérieure à 20 % et inférieure à 50 %, en poids.

4. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur selon la revendication 1, dont la valeur d'absorption de la solution d'immersion dans un adhésif (DPU) dudit câblé est de préférence supérieure à 25 % et inférieure à 35 %, en poids.

5. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur selon la revendication 1, dont le coefficient de torsion se situe entre 12.000 et 20.000, qui est calculé en se référant à la formule (1).

6. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur selon la revendication 1, dont la densité linéaire nominale totale se situe entre 200 dtex et 5.000 dtex.

7. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur selon la revendication 1, qui est utilisé à titre de nappe de sommet enroulée en direction circonférentielle sur le paquet de ceintures dans des bandages pneumatiques du type à nappe radiale.

8. Câblé en fibres de carbone après immersion et durcissement à la chaleur selon la revendication 1, qui est utilisé à titre de renforcement d'articles mécaniques en caoutchouc.